连接组并不只是“大脑照片”,而是一张细胞尺度的神经接线图,记录神经元彼此如何相连。最新发布的成年雄性果蝇(Drosophila)资源,将同一只动物的中央脑、视觉叶和腹神经索纳入连续系统。图谱包含166,691个经完整人工校核的神经元、11,691种已注释细胞类型,以及1.25亿个突触连接。
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关键突破:把完整中枢神经系统连成一张图
此前的果蝇数据集已经证明,全脑连接组可以完成。例如,已发表的成年雌性果蝇全脑连接组重建了139,255个神经元和约5,000万个化学突触。
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雄性数据集有两项关键扩展:其一,神经元数量更多;其二,它纳入了腹神经索——这一结构常被类比为哺乳动物的脊髓——同时保留了它与大脑之间的颈部连接。研究者因此可沿着连续回路,追踪从感觉处理和高级脑区到运动、行为相关通路的信号,而不必把大脑与神经索视作彼此割裂的两张地图。
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这么庞大的重建工程如何变得可用
这项成果是Janelia及合作团队近二十年工作的结晶,参与者还包括Google Research、英国医学研究委员会分子生物学实验室(MRC Laboratory of Molecular Biology)和剑桥大学的研究人员。
它并非依赖某一项单独技术,而是一套协同流程:
- 电子显微镜成像:生成足以分辨神经元及其突触连接的高精度图像。FlyEM项目以电子显微镜为基础,绘制果蝇神经系统中的神经元和突触。
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- AI辅助计算:从海量图像中生成候选的细胞重建结果,使项目规模超出纯人工追踪的上限。Google称,这是一项持续十年的合作,借助计算与AI建立整脑细胞尺度图谱。
- 人工校核与注释:将计算结果转化为可供科研使用的最终资源。该数据集被描述为已完整校核并全面注释;这也是它区别于未经验证的自动重建结果的关键。
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- 细胞类型与分子标记:让“接线图”具备可解释性。图谱纳入了与性别决定基因fruitless和doublesex相关的注释。
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实际经验很清楚:AI让如此庞大的工程在规模上可行,而专家校核则让图谱具备回答生物学问题所需的可靠性。
雄雌对照能揭示什么
雄性完整中枢神经系统图谱与既有雌性全脑连接组并列后,研究人员首次可以在突触分辨率下直接比较两性神经结构。该研究在中央脑中交叉匹配了7,319种细胞类型,其中7,205种为同构类型、114种存在两性差异、262种仅见于雄性、69种仅见于雌性。
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这类比较有助于区分行为研究中常难以厘清的两种情况:某种行为究竟由某一性别独有的神经元类型驱动,还是由两性共有、但接线方式不同的神经元类型所产生。fruitless和doublesex的注释还提供了额外的分子参照,可用于研究具有性别差异的神经回路。
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从味觉信号到进食决策
完整中枢神经系统图谱的价值,还在于可与功能实验配合使用。结合全脑连接组与钙成像的研究发现,在食道下区(SEZ)中,许多早期味觉响应神经元——包括局部中间神经元和投射神经元——主要编码单一味觉模态。
相关连接组分析显示,该区域的二级味觉神经元大体按味觉模态分隔;三级神经元则向食道下区之外投射得更广,不同模态之间的重叠也更多。这种组织方式可能有助于把味觉信号转化为与进食有关的决策。
另一项配套报道还描述了从味觉信号追踪至参与进食的运动通路,并指出一些回路或可解释营养物尚未被吸收前的预期性胰岛素释放。现有报道仅支持这是一种潜在的回路层面解释,并未确立胰岛素信号的决定性机制。
对更大脑连接组意味着什么,又不意味着什么
雄性果蝇连接组提供了一套可操作的范式:高分辨率成像、可扩展的自动化重建、严格校核、标准化注释,以及供其他科学家查询和复用数据的工具。该资源已支持交互式浏览和程序化访问。
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这并不意味着小鼠或人脑的完整连接组已近在眼前。更大的大脑在组织体积、成像、重建、存储、计算和质量控制上都面临陡增的难题。不过,果蝇项目对未来流程进行了严苛的真实世界检验,尤其适用于那些能够同时研究解剖结构、神经活动与行为的系统。
对神经科学而言,最持久的推进不只是创纪录的神经元数量,而是一张经过校核、可检索的地图:它在同一只动物中连接了大脑与神经索,并为检验神经接线如何产生性别特异行为、感觉决策和运动,提供了共同参照。
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