由哈佛醫學院和普林斯頓大學團隊領導的一個大型國際研究團隊，在神經科學領域達成一項重大里程碑，他們發表了成年果蠅中樞神經系統中所有神經元連接的完整圖譜。
這項成就為科學家提供了一種新的方法來檢視大腦和身體如何協同工作以產生複雜的行為，包括行走和飛行。它也為更廣泛地研究支配神經系統的核心規則打開了大門。
「我們首次能夠將所有神經元及其連接視為一個完整的單元，並問：『我們從中學到了什麼？』」研究的共同資深作者、哈佛醫學院 Blavatnik 研究所神經生物學基礎研究 Joseph B. Martin 教授 Rachel Wilson 表示。
首張完整的果蠅大腦與身體連接圖譜
這張新的神經連接圖譜，稱為連接體（connectome），擴展了先前發表的果蠅大腦連接體，增加了果蠅相當於脊髓的神經索（nerve cord）。
「擁有盡可能完整的中樞神經系統連接體非常重要，這樣我們才能將大腦和身體聯繫起來，並開始整體性地思考行為。」研究的共同資深作者、哈佛醫學院神經生物學副教授兼波士頓兒童醫院哈佛醫學院神經學教授 Wei-Chung Allen Lee 表示。
當團隊研究連接體時，他們發現許多果蠅的行為似乎是由相關身體部位的局部神經迴路所指導，而不是由大腦中的單一中央指令區域控制。
完整的連接體現已免費在線上提供，為全球研究人員提供了神經科學研究的強大新資源。這項工作於 6 月 8 日發表在《自然》（Nature）期刊上，部分資金來自美國聯邦政府，包括 BRAIN Initiative（透過先進神經技術的大腦研究）、國家衛生研究院（National Institutes of Health）和國家科學基金會（National Science Foundation）。
為何果蠅在神經科學中很重要
神經科學中一個重大的未解之謎是，大腦和身體中的神經元如何連接和協調以產生行為。果蠅（Drosophila melanogaster）是探討這個問題的寶貴模型。
果蠅易於在實驗室繁殖和飼養。雖然牠們的神經系統只有約 16 萬個神經元，但牠們仍然能夠執行複雜的行為，例如導航、社交互動、學習和對感官訊號做出反應。牠們還擁有 Lee 所描述的令人難以置信的複雜基因工具箱，這使得科學家能夠存取、控制和記錄單個神經元或神經元群組的活動。
2024 年，由普林斯頓大學的 Mala Murthy 和 Sebastian Seung（也是新研究的共同作者）領導的 FlyWire 聯盟發表了果蠅大腦的完整連接體。同時，Lee 和他的同事們正在構建果蠅神經索的連接體，神經索負責控制腿部、翅膀和其他附肢，同時也處理感官資訊。
「大腦和神經索的連接體各自獨立都有用，但直到你能將兩者連接起來，才難以理解資訊如何在腦和身體之間移動。」共同第一作者、Wilson 實驗室的神經生物學研究員 Helen Yang 表示。
共同第一作者、Wilson 實驗室的神經生物學研究員 Alexander Bates 指出，大腦擁有大部分神經元，但神經索包含一些「最有用的」神經元，因為牠們與感覺、運動和通常更容易解釋的功能相關。
連接大腦與神經索
共同資深作者 Murthy、普林斯頓大學神經科學 Karol 和 Marnie Marcin '96 教授兼普林斯頓神經科學研究所（PNI）所長表示，FlyWire 團隊渴望轉向 Lee 實驗室成像的腦神經索（BANC）數據集。
「新的連接體代表了該領域的一大進步，能夠理解大腦中的迴路如何接收來自身體的迴饋並控制身體的動作。」她說。
「我們首次能夠追蹤從感覺到行動的資訊流，貫穿整個神經系統。」PNI 的共同作者 Arie Matsliah 補充道。
為了創建連接體，研究人員將一隻果蠅切成數千個極薄的連續切片。然後，他們使用電子顯微鏡拍攝了數百萬張顯示神經元及其連接的圖像。人工智慧工具幫助對齊這些圖像，並將它們組合成一個統一的 3D 地圖。
完成的連接體顯示了每個神經元在單個突觸層級上如何與大腦和神經索中的其他神經元連接。該地圖並未涵蓋果蠅的整個身體，但研究人員利用可識別的神經元和先前的科學文獻，將中樞神經系統的神經元與許多附肢和感官器官中的神經元聯繫起來，有效地「具象化」了連接體。
Lee 表示，科學家們可以利用連接體來開發新的實驗假設。他將其比喻為規劃路線時擁有詳細的 Google 地圖資訊。
「連接體已經向我們表明，我們的大部分假設都過於簡單。現在，我們可以發展更複雜的假設，並進行實驗來檢驗它們。」Lee 說。
關於運動控制的意外發現
研究人員已經利用連接體研究了運動控制，特別是果蠅如何移動牠們的腿部和其他身體部位。
神經科學中一個長期的觀點認為，大腦是一個中央控制器，決定動物將執行哪些動作。果蠅連接體指向了不同的答案。
該團隊發現，果蠅的運動控制主要發生在局部。例如，一條腿的運動主要由該腿的神經迴路控制。然後，這些迴路與其他腿部的迴路進行通信，以產生協調的動作，如行走。
同樣的模式也出現在與果蠅翅膀、嘴巴和其他身體部位相關的迴路中。研究人員還發現，運動迴路與其他迴路類型連接，包括視覺和內分泌系統中的迴路，這些系統提供了有助於塑造行為的額外資訊。
「我們的發現表明，動作的控制高度分散在局部模組中，這些模組以不同的方式連接並協同工作。」Bates 說。
連接體研究的下一步是什麼
研究人員表示，連接體可以支持許多未來的研究方向。Yang 將其比作人類基因組計畫，這是另一個已被用於多種用途的大規模開放資源。
不久，該團隊計劃為連接體添加更多資訊，包括神經胜肽的細節，神經胜肽是神經元用來溝通的小型類蛋白質分子。
連接體也可能揭示適用於包括人類在內的所有物種神經系統的基本原理。Bates 表示，許多從果蠅神經科學中獲得的發現，從無脊椎動物轉移到哺乳動物，包括與導航、嗅覺和記憶相關的發現。
另一個目標是「將全連接體繪製推廣到更複雜的生物體。」Matsliah 說。他指出，人工智慧、計算和開放協作科學的進步使得這類研究越來越可行。
現在一個主要問題是，在果蠅中觀察到的分散式神經控制是否也在其他動物中存在。Lee 目前正在小鼠中研究這種可能性。
「如果這只對果蠅是獨特的，我會感到震驚。」Yang 說。「我們在其他動物身上沒有這種解析度，但我們知道牠們有很多這些局部迴路。」
這項工作也可能對人工智慧產生影響。連接體提供了真實的生物數據，可能有助於指導設計在虛擬世界中移動的人工代理，這些系統越來越用於研究智慧和改進人工智慧訓練。
「有一件事總是讓我驚訝，就是這隻小小的果蠅能做很多事情；即使是我們最好的人工智慧代理和機器人也無法做到果蠅所能做的一切。」Yang 說。「神經系統的組織方式可能對人工智慧有啟示。」
Jasper S. Phelps 和 Minsu Kim 也是該研究的共同第一作者。Jan Drugowitsch 是共同資深作者。其他作者包括 Zaki Ajabi, Eric Perlman, Kevin M. Delgado, Mohammed Abdal Monium Osman, Christopher K. Salmon, Jay Gager, Benjamin Silverman, Sophia Renauld, Farzaan Salman, Janki Patel, Matthew F. Collie, Jingxuan Fan, Diego A. Pacheco, Yunzhi Zhao, Wenyi Zhang, Laia Serratosa Capdevila, Ruairí J.V. Roberts, Eva J. Munnelly, Nina Griggs, Helen Langley, Borja Moya-Llamas, Zuoyu Zhang, Ryan T. Maloney, Szi-chieh Yu, Amy R. Sterling, Marissa Sorek, Krzysztof Kruk, Nikitas Serafetinidis, Serene Dhawan, Finja Klemm, Paul Brooks, Ellen Lesser, Jessica M. Jones, Sara E. Pierce-Lundgren, Su-Yee Lee, Yichen Luo, Andrew P. Cook, Theresa H. McKim, Dimitrios Stasi Giakoumas, Benjamin Gorko, Emily C. Kophs, Tjalda Falt, Alexa M. Negron-Morales, Austin Burke, James Hebditch, Kyle P. Willie, Ryan Willie, Sergiy Popovych, Nico Kemnitz, Dodam Ih, Kisuk Lee, Ran Lu, Akhilesh Halageri, J. Alexander Bae, Ben Jourdan, Gregory Schwartzman, Damian D. Demarest, Emily Behnke, Doug Bland, Anne Kristiansen, Jaime Skelton, Tom Stocks, Dustin Garner, Anthony Hernandez, Sandeep Kumar, The BANC-FlyWire Consortium, Kevin C. Daly, Sven Dorkenwald, Forrest Collman, Marie P. Suver, Lisa M. Fenk, Michael J. Pankratz, Zepeng Yao, Stephen J. Huston, Tomke Stürner, Gregory S.X.E. Jefferis, Katharina Eichler, Andrew M. Seeds, Stefanie Hampel, Sweta Agrawal, Tatsuo S. Okubo, Meet Zandawala, Thomas Macrina, Diane-Yayra Adjavon, Jan Funke, John C. Tuthill, Anthony Azevedo, and Benjamin L. de Bivort。
資金由國家衛生研究院（grants R01NS121874; RF1MH117808; U19NS118246; U24NS126935; RF1MH117815; K99NS129759; R00NS117657; R01NS102333; RF1NS128785; R01NS140174; UM1NS132253; U24NS13992; RF1MH128840; R01NS121911; T32GM144273; R01DK139131; R25NS080687）、Sir Henry Wellcome Postdoctoral Fellowship（222782/Z/21/Z）、Smith Family Foundation Odyssey Award、Harvard/MIT Joint Research Grant、HHMI Life Sciences Research Foundation Postdoctoral Fellowship（PJ100000343）、New York Stem Cell Foundation Robertson Neuroscience Investigator Award、Deutsche Forschungsgemeinschaft（ZA1296/1-1; EXC2151-390873048; PA787/7-3; PA787/9-3）、Nevada IDeA Network of Biomedical Research Excellence（GM103440）、National Science Foundation（2127379; 2014862）、Japan Society for the Promotion of Science（KAKENHI 25K00370）、Japan Science and Technology Agency（ASPIRE JPMJAP2302; CRONOS JPMJCS24K2）、HHMI Gilliam Fellowship（GT15790）、Max Planck Society、Shanahan Family Foundation、Kempner Graduate Fellowship、Medical Research Council（MC_EX_MR/T046279/1）、Alice and Joseph Brooks Fund，以及 Beijing Natural Science Foundation（IS23084）提供。
作者們也承認，這項工作受益於 O2 High-Performance Compute Cluster，該集群由 HMS 的 Research Computing Group 支持。
哈佛大學代表發明人（包括 W. Lee）提交了 GridTape（WO2017184621A1）的專利申請，並與有興趣的合作夥伴協商了授權協議。Macrina, Popovych, Kemnitz, Ih, K. Lee, Lu, Halageri, Bae 和 Seung 聲明在 Zetta AI 中有財務利益。Seung 聲明在 Memazing, Inc. 中有財務利益。Capdevila, Roberts, Langley, Munnelly, Griggs 和 Moya-Llamas 聲明在 Aelysia Ltd. 中有財務利益。Perlman 是 Yikes LLC 的負責人。
Materials provided by Harvard Medical School. Note: Content may be edited for style and length.
