《科学》研究绘制首个昆虫大脑图谱，离人类又近一步

本文来自微信公众号：学术经纬 （ID：Global_Academia），作者：药明康德内容团队，头图来自：unsplash

近日，约翰·霍普金斯大学和剑桥大学合作绘制了一张极其惊人的图谱，图中描绘了一只果蝇幼虫的完整大脑连接组（connectome），其中每一个神经连接都得到了复现，包括了其中3016个神经元，连接数超过54万个，这也是迄今为止首个昆虫大脑图谱。

“50年了，我们终于获得了第一个清晰的大脑连接组的图谱，”参与该项研究的Joshua Vogelstein博士表示，目前相关论文已经发表于顶级期刊《科学》上。

早在上世纪70年代，科学家就曾尝试给蛔虫绘制大脑图谱，他们也成功地产生了部分神经连接，这也初步预示着我们能够还原和构建出大脑的部分图谱。目前为止，科学界一共只获得了3种生物的完整神经连接组，包括线虫、海洋蠕虫幼虫以及海鞘幼虫，它们的完整连接组中包括了可能几百个神经元，但是并没有类似哺乳动物和人类大脑一样的脑半球结构，还难以称得上大脑图谱。

以当下的技术来说，想要绘制大脑的整个连接组图谱，需要将目标个体大脑切成数百甚至数千个单独的组织样本，这些样本需要经过电子显微镜成像，然后逐个地将神经元联系到一起，从碎片化的样本构建成完整的连接组。

▲研究绘制的昆虫大脑图谱（图片来源：参考资料[3]；Credit：Johns Hopkins University/University of Cambridge）

这也意味着，大脑越复杂就越难实现这一点，因为需要拼凑的组织样本数会非常大。为此，新研究选择了果蝇幼虫当作实验对象，果蝇是一种比较成熟的模式生物，与人类共享了许多基本的生物学特征，也是研究神经科学的优秀模型。

即使是如此小的生物，研究团队前后一共也花费了12年才构建它们的完整大脑连接组。研究过程中，果蝇幼虫的大脑被切成了5000份极薄的组织样本，每个样本都经过了显微成像，最后拼凑了三维的组织结构。这些图像中的单个神经元都被仔细分析，并追踪了它们轴突和树突与其他区域的联系。

▲昆虫大脑图谱清晰地显示了每一个神经元和它们之间的连接（图片来源：参考资料[3]）

据研究者介绍，每个神经元的成像就需要花费约1天的时间，这也是构建完整图谱所需时间如此之长的原因。

当然，除了重现出了果蝇幼虫的完整大脑连接组，他们也借此会发现了许多与现有认知不同的现象。比如我们基本认为神经元会通过轴突输出信息，而树突负责接收上一个神经元的信息，也就是轴突-树突的连接方式。但在图谱中他们看到了例外，轴突-轴突、树突-树突，甚至是树突-轴突的连接都是存在的。

▲借助图谱，研究者发现了神经之间的多种相互连接方式（图片来源：参考资料[3]）

这些连接既紧密又疏离，比如当感觉信息进入的时候，在信息传递到运动控制区域之前，它只会经过非常少的神经元，这样可以保证个体能尽快做出运动反应。而大脑最繁忙的神经回路往往与学习行为有关。

研究者认为这一成果让我们朝更大的动物大脑图谱又近了一步，目前已经有研究团队正在绘制果蝇成虫的大脑图谱了，Vogelstein博士表示，“可能下一个10年，就有望在小鼠身上开展类似的研究，最后帮助理解人类的大脑。”

参考资料：

[1] Scientists complete 1st map of an insect brain. Retrieved March 14， 2023 from https://www.eurekalert.org/news-releases/981536

[2] 1st complete map of an insect's brain contains 3，016 neurons. Retrieved March 14， 2023 from https://www.livescience.com/1st-complete-map-of-an-insects-brain-contains-3016-neurons

[3] The connectome of an insect brain. Science (2023). DOI: http://dx.doi.org/10.1126/science.add9330

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