一个描述连通性的图，其中神经元被表示为点，而具有更相似连通性的神经元被绘制得更靠近。线条描绘了神经元之间的联系。图的边界显示了神经元形态的示例。图片：约翰·霍普金斯大学/剑桥大学
据by Johns Hopkins University：研究人员已经完成了迄今为止最先进的大脑图谱，即昆虫的大脑图谱。这是神经科学的一项里程碑式成就，使科学家更接近于对思维机制的真正理解。
由约翰·霍普金斯大学和剑桥大学领导的国际团队绘制了一张惊人的详细图表，描绘了果蝇幼虫大脑中的每一个神经连接，这是一个大脑与人类相当的典型科学模型。
这项工作可能会支持未来的大脑研究，并启发新的机器学习架构，今天发表在《科学》杂志上。
“如果我们想了解我们是谁以及我们是如何思考的，其中一部分就是了解思考的机制，”约翰·霍普金斯大学生物医学工程师约书亚·T·沃格尔斯坦（Joshua T.Vogelstein）说，他专门从事数据驱动项目，包括神经系统连接研究的连接组学。“关键在于了解神经元之间的联系。”
第一次绘制大脑图谱的尝试是从20世纪70年代开始对蛔虫进行的长达14年的研究，结果绘制了部分图谱并获得了诺贝尔奖。从那时起，部分连接体在许多系统中被绘制，包括苍蝇、老鼠，甚至人类，但这些重建通常只代表整个大脑的一小部分。综合性连接体只在几个体内有几百到几千个神经元的小物种中产生——蛔虫、海鞘幼虫和海洋环节线虫幼虫。
这个团队的果蝇幼虫的连接体是迄今为止最完整、最广泛的一张完整的昆虫大脑图谱。它包括3016个神经元和它们之间的每个连接：548000个。
沃格尔斯坦说：“这已经50年了，这是第一个大脑连接体。这是我们能够做到这一点的标志。”。“这一切都在进行中。”
即使使用最好的现代技术，绘制全脑图也很困难，而且非常耗时。要获得完整的大脑细胞级图像，需要将大脑切片成数百或数千个单独的组织样本，所有这些样本都必须用电子显微镜进行成像，然后才能将所有这些片段逐个神经元地重建成完整、准确的大脑图像。用了十多年的时间，才把果蝇宝宝做到这一点。据估计，老鼠的大脑比果蝇宝宝的大脑大一百万倍，这意味着在不久的将来，甚至在我们的有生之年，绘制任何接近人类大脑的图像的可能性都不大。
昆虫大脑中的一整套神经元，通过突触分辨电子显微镜重建。图片：约翰·霍普金斯大学/剑桥大学
该团队特意选择果蝇幼虫，因为对于一种昆虫来说，该物种与人类有很多共同的基本生物学特性，包括相似的基因基础。它还具有丰富的学习和决策行为，使其成为神经科学中有用的模式生物。出于实际目的，可以在合理的时间范围内对其相对紧凑的大脑进行成像并重建其电路。
即便如此，剑桥大学和约翰·霍普金斯大学花了12年的时间完成了这项工作。光是成像就需要每个神经元一天的时间。
剑桥大学的研究人员创建了大脑的高分辨率图像，并对其进行了人工研究，以找到单个神经元，严格地追踪每个神经元并连接它们的突触连接。
剑桥大学将数据交给了约翰·霍普金斯大学，该团队在那里花了三年多的时间使用他们创建的原始代码来分析大脑的连通性。约翰斯·霍普金斯团队开发了基于共享连接模式的神经元组的技术，然后分析了信息如何在大脑中传播。
最后，整个团队绘制了每个神经元和每个连接，并根据每个神经元在大脑中所扮演的角色对其进行了分类。他们发现，大脑最繁忙的回路是那些通向和远离学习中心神经元的回路。
沃格尔斯坦说，约翰斯·霍普金斯开发的方法适用于任何大脑连接项目，任何试图绘制更大的动物大脑的人都可以使用它们的代码。他补充说，尽管面临挑战，科学家们仍有望在未来十年内研究老鼠。其他团队已经在绘制成年果蝇大脑的地图。共同第一作者本杰明·佩迪戈（Benjamin Pedigo）是约翰·霍普金斯大学生物医学工程博士研究生，他预计该团队的代码将有助于揭示成人和幼虫大脑之间的联系。随着更多幼虫和其他相关物种产生连接体，佩迪戈预计，他们的分析技术可以更好地理解大脑接线的变化。
果蝇幼虫的工作显示了电路特征，这让人联想到突出而强大的机器学习架构。该团队预计，持续的研究将揭示更多的计算原理，并可能启发新的人工智能系统。
沃格尔斯坦说：“我们对果蝇编码的了解将对人类编码产生影响。”。“这就是我们想要了解的，如何编写一个通向人脑网络的程序。”
