13万个注释神经元,5300万个突触,普林斯顿大学等发布首个完整「成年果蝇」大脑连接组(1)
这将进一步推动科学家们探索在 3D 环境中对果蝇大脑进行精确的计算机模拟。
从秀丽隐杆线虫 (302 个神经元) 到果蝇 (约 10 万个神经元),截止到今天,已经有许多项目绘制了各种生物的全脑连接组图谱。而黑腹果蝇是被人类研究得最彻底的生物之一,截至 2017 年,已有 8 个诺贝尔奖颁发给使用果蝇的研究。
研究者对果蝇的研究还在继续,近日,来自普林斯顿大学等机构的研究者发布了果蝇的全脑连接组,包括约 130k 个注释神经元和数千万个类型突触。
大家多少都了解,从古老的动物开始就存在基本的神经系统,但大脑系统的出现要追溯到 5 亿年前。研究表明将大脑划分为不同区域有助于理解其功能。
然而,多年来,关于神经元和突触层面的神经连接图一直存在争议,造成这一现象的主要原因在于人类缺乏能够重构此类连接图的技术。随着技术的发展,情况在 21 世纪初才开始发生变化。
直到今天,来自普林斯顿大学等机构的研究者发布了果蝇的全脑连接组,这是首个完整的成年果蝇大脑神经连接图。
论文地址:https://www.biorxiv.org/content/10.1101/2023.06.27.546656v1.full.pdf
在该成果发布之后,有人表示:「许多项目绘制了各种生物的全脑连接组图,从秀丽线虫(302 个神经元)到果蝇(约 100k 神经元)。以我们目前的计算能力,为什么不能在一个虚拟的 3D 环境中对这些生物进行精确的计算机模拟呢?」
首个完整的成年果蝇大脑神经连接图
果蝇的大脑看起来很小,拥有 10^5 个神经元和 10^8 个突触,尽管如此,果蝇借助这些能够完成看、闻、听、走,当然还能飞。
长期以来,研究者通过电子显微镜(EM)图像已经对果蝇大脑的部分区域进行了重建,这些图像清晰度还不错,能够显示出神经元的细小分支和相连的突触。由此得到的神经回路的连接图为研究者理解大脑如何产生社交行为、与记忆有关的行为以及导航行为提供了关键见解。
然而,EM 方法虽然已经应用于大脑的部分区域,并重建了信息丰富的局部连接图,但对于更全面地理解大脑功能来说,这种方法还不足够。
此前,研究者基于 Ito 等人的研究来构建单个神经突触网格,本文采用的网格是基于此前生成完整大脑分割的 JFRC2 标准脑模板,这些网格也被用于 Virtual Fly Brain(模拟果蝇)项目。通过一系列非刚性变换,该研究将这些网格从 JFRC2 空间移动到 FlyWire(FAFB14.1)空间中。
注:FlyWire 是一个用于探索果蝇大脑的全脑连接组学平台。自 2019 年以来,科学家和经验丰富的校对员一直在使用 FlyWire 来校对 AI 对整个果蝇大脑的分割。截至 2023 年 6 月,在 FlyWire 中已经校对了超过 120,000 个神经元,包括整个中央大脑。
如下图所示,该研究重建的整个成年果蝇大脑包含 127,978 个神经元(图 1a),它们之间有 5300 万个突触。成年雌性果蝇的全脑图像 (图 1e, f) 先前通过串行切片传输 EM 获得,并由 Zheng et al. 发布到公共领域。
本文表明,该研究对整个果蝇大脑的重建所得到的连接图已经足够完整,足以被称为「连接组(connectome)」。与秀丽隐杆线虫(300 个神经元,小于 10^4 个突触)和果蝇第一龄幼虫(3,000 个神经元,5×10^5 个突触)相比,其连接组有了明显的飞跃:连接组不仅仅是数量上超越了果蝇半个大脑,它还涵盖了果蝇中央大脑的食道下区(SEZ),该区域对味觉和机械感知等非常重要,此外,连接组还涵盖了从果蝇大脑向下驱动运动神经元的过程。
下图为神经元类别,图(a)显示将果蝇大脑中的神经元按「流」进行分类:内在的、传入的、传出的。然后每个流类根据位置和功能进一步划分为「超类」。第一次公开发布的复眼缺失了约 8000 个视网膜细胞和一个半球的四个小眼珠,这些部分用阴影条表示。(b)利用这些神经元注释,该研究在果蝇大脑的超类之间创建了一个聚合的突触图。(c) 每个超类中所有神经元的效果图。(d) 除了眼神经和颈结缔组织 (CV) 外,每个半球还有 8 个神经。所有穿过神经的神经元都被重建和解释了。(e) 感觉神经元可以根据其对感觉模态的响应进行细分。在 FlyWire 中,几乎所有的感觉神经元都已经按模态进行了分类。(f) 所有非视觉感觉神经元的渲染图。
下图为果蝇大脑负责处理视觉信息的示图:
下图为信息通过果蝇的中央大脑流动:
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