連接組(connectome)唔只係一張「腦部相」;佢係以細胞尺度記錄神經元點樣互相接駁嘅線路圖。最新嘅成年雄性 Drosophila(果蠅)資源,將同一隻動物嘅中央大腦、視葉同腹側神經索一口氣連埋,合共收錄 166,691 個已完整人手核對嘅神經元、11,691 種已標註細胞類型,同埋 1.25 億個突觸連接。
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關鍵突破:唔再將「腦」同「脊髓」分開睇
較早前嘅果蠅數據集已證明,全腦連接組係做得到嘅。例如已發表嘅成年雌性果蠅全腦連接組,重建咗 139,255 個神經元同約 5,000 萬個化學突觸。
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今次雄性圖譜有兩個重要推進。第一,神經元數量更多;第二,佢納入咗腹側神經索——可粗略理解為果蠅相當於脊髓嘅結構——而且保留咗連接大腦嘅頸部神經連結。換句話講,研究人員而家可以喺同一張圖上,追蹤由感覺訊號、高階腦區,到控制動作同表現行為嘅路徑,而唔使將大腦同神經索當成兩幅互不相連嘅地圖。
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咁巨型嘅重建,點樣先可以真正用得?
項目由 Janelia 研究園區與合作者經過接近 20 年累積而成,參與者包括 Google Research、MRC 分子生物學實驗室同劍橋大學嘅研究人員。
成果並非靠一項「神技」,而係一條整合式工作流程:
- 電子顯微鏡(EM)成像:拍出足以辨認神經元形態同突觸接點嘅超高解析度影像;FlyEM 計劃正正以 EM 作為繪製果蠅全神經系統神經元與突觸地圖嘅根基。
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- AI 輔助運算:由海量影像中產生候選嘅細胞重建結果,令工作規模唔再只靠人手逐條追線。Google 形容,呢項合作歷時十年,利用運算同 AI 建立全腦、細胞尺度地圖。
- 人手校對與標註:將電腦初稿變成可供科研使用嘅完成品。最終數據集被形容為「完整校對」及「全面標註」;呢點令佢同未經驗證嘅自動重建有根本分別。
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- 細胞類型與分子標籤:令線路圖唔係得一堆交纏嘅電線。圖譜包含與性別決定基因 fruitless 同 doublesex 有關嘅標註。
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重點好直接:AI 令項目做到咁大規模,但專家逐一覆核,先令張圖可靠到足以用嚟問生物學問題。
雄雌對照,可以睇到乜?
有咗完整雄性中樞神經系統圖譜,再配合先前嘅雌性全腦連接組,研究人員首次可以喺突觸層面直接比較兩性。研究將中央大腦中 7,319 種細胞類型作跨性別配對,當中 7,205 種屬同構類型、114 種呈兩性差異、262 種只見於雄性、69 種只見於雌性。
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呢種比較可以幫手拆解一個單靠行為實驗未必分得清嘅問題:某種行為差異,究竟源於某一性別獨有嘅神經元,定係兩性都有同類神經元、但接線方法唔同?而 fruitless 同 doublesex 嘅標註,亦提供咗分子層面嘅參考點,用嚟研究有性別差異嘅神經迴路。
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由「味道」一路追到進食決定
全中樞神經系統地圖嘅價值,喺於可以同功能實驗配合。結合全腦連接組同鈣成像嘅研究發現,果蠅食道下區(subesophageal zone,SEZ)內好多早期對味覺有反應嘅神經元,包括局部中間神經元同投射神經元,主要各自編碼單一種味覺模式。
另一項連接組分析指出,呢個區域嘅第二級味覺神經元大致按味覺模式分流;到第三級神經元,投射範圍就擴闊至 SEZ 以外,唔同味覺模式之間亦有更多重疊。呢種架構可能有助將「嚐到乜」轉化成「食唔食、點樣食」嘅決定。
配套報告亦描述咗由味覺訊號追蹤到參與進食嘅運動路徑,並找出一啲可能解釋「身體吸收營養前,味覺已觸發預期性胰島素釋放」嘅線路。要留意,現有報道支持嘅係一個具潛力嘅迴路層面解釋,未足以確立胰島素訊號嘅最終機制。
對更大腦部有咩啟示——又唔代表乜?
雄性果蠅連接組提供咗一套可實戰驗證嘅藍圖:高解析度成像、可擴展嘅自動重建、嚴謹人手校對、標準化標註,以及畀其他科學家搜尋、下載同以程式查詢數據嘅工具。呢項資源現已可作互動瀏覽及程式化存取。
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不過,呢個成果唔代表完整小鼠或人腦連接組就快將出現。腦部愈大,組織體積、成像量、重建難度、儲存需求、運算成本同品質控制嘅挑戰都會急劇上升。但果蠅項目提供咗一個要求極高嘅真實測試場:未來研究者可以據此改良流程,並嘗試喺同一個系統中結合神經構造、神經活動同動物行為。
對神經科學而言,最重要嘅突破唔只係破紀錄嘅神經元數量,而係一份已核對、可搜尋、將大腦同神經索接成一體嘅圖譜。佢為研究人員提供共同參照,去檢驗神經接線如何產生性別特異行為、感覺決策同運動。
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