科學家成功首繪成年動物大腦神經元圖譜
大腦是由神經元之間的連接所構成的極其複雜的系統，令人感到困惑。
這項研究首次爲一種能夠行走和視物的動物繪製了這樣的地圖，同時也是首次繪製出成年動物大腦的完整地圖。它追蹤了黑腹果蠅大腦中的 139,255 個神經元中的每一個，以及它們之間的 5000 萬個連接，這是迄今爲止規模最大、最詳細的成果。已經爲同一物種的幼蟲創建了類似的地圖，但幼蟲的大腦要小得多，只有大約 3000 個神經元。成年大腦還必須處理更多的信息和行爲。
該地圖在 10 月 2 日發表於《自然》的兩篇論文中有所提及。這是由來自世界各地 76 個機構的 287 名研究人員組成的團隊合作的成果，並使用了超過 100TB 的數據。
共同作者菲利普·施萊格爾、斯文·多肯瓦爾德、塞巴斯蒂安·承、格雷戈裡·傑弗里斯、戴維·博克和馬拉·默西向《大衆科學》講述了這一具有里程碑意義的成就。
顯然在大小上存在巨大的差異，並且果蠅的大腦包含像蕈形體這樣我們沒有的結構——但在神經元連接方式和‘佈線’形成方式這一層面上，果蠅的大腦與我們的大腦有多相似？
菲利普·施萊格爾：在神經元與神經元連接的層面上，我們的大腦和昆蟲的大腦極其相似，這便是爲什麼果蠅是研究大腦如何工作的一個很好的模型系統。也就是說，當然存在一些差異，而且我常常發現自己對差異的例子比對相似之處更感興趣。
塞巴斯蒂安·承：蕈形體就是一個很好的例子。確實，我們的大腦中不存在這種嗅覺結構。然而，我們的梨狀皮質在連接性方面被認爲和昆蟲的蕈形體類似。（這種類比可以擴展到嗅覺系統的其他部分。）因爲果蠅和人類的基因組相似，我們很早就知道果蠅和人類的大腦在分子層面上必定有相似之處。我們較慢地意識到在電路層面上也有相似之處，這通過檢查連接模式得以揭示。
蒼蠅和人類的進化祖先年代如此久遠，爲什麼還會存在電路相似性呢？
視頻：果蠅大腦中所有約 14 萬個神經元的 3D 渲染。來源：數據源：FlyWire.ai；渲染：菲利普·施萊格爾（劍橋大學/MRC LMB）。
戴維·博克：在果蠅大腦和我們人類大腦中，大量的神經元網絡以某種方式相互結合，來處理信息、驅動行爲以及存儲和回憶記憶。在兩個大腦中，神經元觸發動作電位，使用常見的神經遞質等。兩個大腦都具備大規模的遞歸連接特點，並且都呈現出有趣的網絡結構特徵，我們特別希望能更深入地去了解。
所以，儘管存在差異，但是如何組織大量神經元網絡來處理、存儲和回憶信息這一核心問題，在不同物種之間幾乎不可避免地存在共同基礎。弄清楚這一點是個難題。就信息處理和行爲能力來說，成年果蠅似乎處於“比人類簡單得多”和“仍然非常有趣”之間的一種不錯的中間狀態。
在存在“典型”神經元這一說法的情況下，果蠅大腦中的典型神經元跟人類的相比怎麼樣？它們大小相同嗎？它們具有相似數量的樹突和突觸終端嗎？它們形成相似數量的連接嗎？
PS：定義一個“典型”的神經元並非易事，這從我們在果蠅相對較小的大腦中發現的細胞類型數量（超過 8000 種）就能明顯看出來。例如，在果蠅的視覺系統中，神經元平均約 0.6 毫米“長”（即神經元所有分支的總長度），並且有約 270 個輸入和 500 個輸出。格雷格在下面已經提到了這一點，但說哺乳動物神經元大約比果蠅神經元大 10 倍可能離事實不遠。
在哺乳動物大腦中，單個突觸通常是一對一的，也就是說，它們在正好兩個神經元之間形成連接。
SS: 人類神經元通常要大得多。人類神經元可以從大腦的一側延伸到另一側，或者在大腦和脊髓之間延伸。長頸鹿或鯨魚的神經元可能更大。
蒼蠅的神經化學和人類的相比怎麼樣？
我們在蒼蠅大腦中看到的所有神經遞質跟我們在人類大腦中觀察到的是否相同，還是隻有其中一部分？
它們在這兩個大腦中是不是扮演着相同的角色？蒼蠅大腦中存不存在人類大腦中未觀察到的神經遞質？
PS: 蒼蠅和我們使用相同的神經遞質（多巴胺、γ-氨基丁酸、乙酰膽鹼等）。
SS: 主要的神經遞質是相同的，但它們的工作方式存在差異。例如，穀氨酸在我們的大腦中大多是興奮性的，但在蒼蠅的大腦中通常是抑制性的。不過也有相似之處。例如，多巴胺似乎在蒼蠅和人類的大腦中對“獎勵學習”都很重要。
最終，我們所看到的大腦，是一種工作方式跟人類大腦基本相似但更小且更容易繪製的大腦呢，還是存在顯著差異？
SS: 這是一個是樂觀還是悲觀的問題。既有相似之處，也有不同之處。我們現在知道，用於嗅覺、視覺和導航的果蠅迴路與哺乳動物用於相同功能的迴路在結構上有相似之處。我的意思是，這些迴路中存在類似的連接模式，就如同在不同的建築物中可能會發現相似的建築模式那樣。
果蠅的連接組正在助力神經科學家首次真正深入地理解任何大腦的功能。在當下這個時候，任何我們能夠真正理解的大腦都有助於我們去理解所有的大腦。
爲什麼這種特殊的果蠅物種被研究得如此之多？是什麼使它成爲一個有吸引力的研究對象？
SS: 黑腹果蠅在生物學中作爲模式生物已經被使用了一個多世紀，所以神經科學家也自然地採用了它。話雖如此，其他昆蟲物種的連接組即將出現，比如螞蟻、蚊子、蜜蜂等等。比較這些連接組並與豐富多樣的昆蟲行爲相關聯將是一個令人興奮和有趣的研究領域。
馬拉·穆爾西：果蠅是神經科學的一個重要模型系統，因爲它們的大腦解決了許多我們也面臨的相同問題，而且因爲它們能夠進行復雜的行爲，如行走和飛行的執行、學習和記憶行爲、導航、進食，甚至社會互動。我的實驗室研究大腦是如何介導社會交流的，而且我們發現果蠅會持續使用來自社交夥伴的反饋線索，比如視覺和聲音，來決定在每個時刻產生什麼樣的行動——它們甚至在不同的情境中能夠做出不同的選擇。這種複雜的行爲涉及大腦的很多方面，因此需要一張大腦中所有連接的完整圖譜來解決它。
這些論文討論了“雪花”的概念，以及任何個體大腦在多大程度上能夠代表一個物種的問題。這裡的問題是不是雖然一個物種大腦的結構（用電子學的比喻來說就是“電路”）是相似的，但該結構內的實際連接（“佈線”）可能不同？例如，神經元 x 和神經元 y 在兩個大腦中可能在物理上相連，但在一個大腦中連接可能是不活躍的，而在另一個大腦中可能是活躍的？
PS：這是一個有趣的問題。在連接組學中，當兩個神經元之間的連接由衆多單個突觸構成時，我們通常認爲這種連接是“強”的。依據我們對 FlyWire 數據集與之前的部分大腦圖譜所做的比較，強連接幾乎總是同時存在於這兩個大腦中。您（實際上還有許多其他神經科學家）現在理所當然地在問，這種連接的“結構”強度是否必然轉化爲“功能”強度。
簡短的回答是：很有可能。稍長一點的回答是：我們目前還不確定，但就我所知，過去生理和行爲研究中報道的功能連接在連接組中也被證明是結構上強的。也就是說：這仍然是一個大問題，神經科學界在未來幾年將不得不解決。
這就引出了一個問題，即“佈線”是否也存在某種普遍性——也就是說，是否存在某些總是相互連接的神經元，或者“硬連接”。
MM: 大腦組織確實存在相似性，弄清楚這些如何與功能相關將會令人興奮。
果蠅大約有 10^5 個神經元，而老鼠的大腦大約有 10^8 個神經元。與神經元的數量相比，神經元之間的連接數量是如何變化的？老鼠大腦中神經元之間的連接數量是果蠅的 1000 倍，還是更多？
格雷戈裡·傑弗里斯：實際上，每個神經元的突觸數量的差異可能不超過 10 倍，部分原因可能是果蠅突觸比哺乳動物突觸小，以及它們的[多極性質]。在果蠅連接組中，強夥伴神經元之間可能也有更多的單個突觸（兩個神經元之間的主要連接有成千上萬個單個突觸）。
最後，您能否稍微談談擁有如此詳細的果蠅大腦圖譜到底怎樣才能促進進一步的研究？
PS： 當然可以。這個大腦圖譜確立了一個基準，未來的實驗連接組能夠跟它進行比較。例如，可以訓練一隻果蠅去討厭原本對它有吸引力的氣味，然後生成該果蠅大腦的圖譜，並與 FlyWire 進行比較，來查看在電路層面上發生了啥變化。雖然腦電圖在果蠅中不起作用（果蠅太小），但很多研究小組正在積極地想辦法把連接組跟其他模式（像鈣成像或者電生理記錄）疊加起來。