科学家成功首绘成年动物大脑神经元图谱
大脑是由神经元之间的连接所构成的极其复杂的系统，令人感到困惑。
这项研究首次为一种能够行走和视物的动物绘制了这样的地图，同时也是首次绘制出成年动物大脑的完整地图。它追踪了黑腹果蝇大脑中的 139,255 个神经元中的每一个，以及它们之间的 5000 万个连接，这是迄今为止规模最大、最详细的成果。已经为同一物种的幼虫创建了类似的地图，但幼虫的大脑要小得多，只有大约 3000 个神经元。成年大脑还必须处理更多的信息和行为。
该地图在 10 月 2 日发表于《自然》的两篇论文中有所提及。这是由来自世界各地 76 个机构的 287 名研究人员组成的团队合作的成果，并使用了超过 100TB 的数据。
共同作者菲利普·施莱格尔、斯文·多肯瓦尔德、塞巴斯蒂安·承、格雷戈里·杰弗里斯、戴维·博克和马拉·默西向《大众科学》讲述了这一具有里程碑意义的成就。
显然在大小上存在巨大的差异，并且果蝇的大脑包含像蕈形体这样我们没有的结构——但在神经元连接方式和‘布线’形成方式这一层面上，果蝇的大脑与我们的大脑有多相似？
菲利普·施莱格尔：在神经元与神经元连接的层面上，我们的大脑和昆虫的大脑极其相似，这便是为什么果蝇是研究大脑如何工作的一个很好的模型系统。也就是说，当然存在一些差异，而且我常常发现自己对差异的例子比对相似之处更感兴趣。
塞巴斯蒂安·承：蕈形体就是一个很好的例子。确实，我们的大脑中不存在这种嗅觉结构。然而，我们的梨状皮质在连接性方面被认为和昆虫的蕈形体类似。（这种类比可以扩展到嗅觉系统的其他部分。）因为果蝇和人类的基因组相似，我们很早就知道果蝇和人类的大脑在分子层面上必定有相似之处。我们较慢地意识到在电路层面上也有相似之处，这通过检查连接模式得以揭示。
苍蝇和人类的进化祖先年代如此久远，为什么还会存在电路相似性呢？
视频：果蝇大脑中所有约 14 万个神经元的 3D 渲染。来源：数据源：FlyWire.ai；渲染：菲利普·施莱格尔（剑桥大学/MRC LMB）。
戴维·博克：在果蝇大脑和我们人类大脑中，大量的神经元网络以某种方式相互结合，来处理信息、驱动行为以及存储和回忆记忆。在两个大脑中，神经元触发动作电位，使用常见的神经递质等。两个大脑都具备大规模的递归连接特点，并且都呈现出有趣的网络结构特征，我们特别希望能更深入地去了解。
所以，尽管存在差异，但是如何组织大量神经元网络来处理、存储和回忆信息这一核心问题，在不同物种之间几乎不可避免地存在共同基础。弄清楚这一点是个难题。就信息处理和行为能力来说，成年果蝇似乎处于“比人类简单得多”和“仍然非常有趣”之间的一种不错的中间状态。
在存在“典型”神经元这一说法的情况下，果蝇大脑中的典型神经元跟人类的相比怎么样？它们大小相同吗？它们具有相似数量的树突和突触终端吗？它们形成相似数量的连接吗？
PS：定义一个“典型”的神经元并非易事，这从我们在果蝇相对较小的大脑中发现的细胞类型数量（超过 8000 种）就能明显看出来。例如，在果蝇的视觉系统中，神经元平均约 0.6 毫米“长”（即神经元所有分支的总长度），并且有约 270 个输入和 500 个输出。格雷格在下面已经提到了这一点，但说哺乳动物神经元大约比果蝇神经元大 10 倍可能离事实不远。
在哺乳动物大脑中，单个突触通常是一对一的，也就是说，它们在正好两个神经元之间形成连接。
SS: 人类神经元通常要大得多。人类神经元可以从大脑的一侧延伸到另一侧，或者在大脑和脊髓之间延伸。长颈鹿或鲸鱼的神经元可能更大。
苍蝇的神经化学和人类的相比怎么样？
我们在苍蝇大脑中看到的所有神经递质跟我们在人类大脑中观察到的是否相同，还是只有其中一部分？
它们在这两个大脑中是不是扮演着相同的角色？苍蝇大脑中存不存在人类大脑中未观察到的神经递质？
PS: 苍蝇和我们使用相同的神经递质（多巴胺、γ-氨基丁酸、乙酰胆碱等）。
SS: 主要的神经递质是相同的，但它们的工作方式存在差异。例如，谷氨酸在我们的大脑中大多是兴奋性的，但在苍蝇的大脑中通常是抑制性的。不过也有相似之处。例如，多巴胺似乎在苍蝇和人类的大脑中对“奖励学习”都很重要。
最终，我们所看到的大脑，是一种工作方式跟人类大脑基本相似但更小且更容易绘制的大脑呢，还是存在显著差异？
SS: 这是一个是乐观还是悲观的问题。既有相似之处，也有不同之处。我们现在知道，用于嗅觉、视觉和导航的果蝇回路与哺乳动物用于相同功能的回路在结构上有相似之处。我的意思是，这些回路中存在类似的连接模式，就如同在不同的建筑物中可能会发现相似的建筑模式那样。
果蝇的连接组正在助力神经科学家首次真正深入地理解任何大脑的功能。在当下这个时候，任何我们能够真正理解的大脑都有助于我们去理解所有的大脑。
为什么这种特殊的果蝇物种被研究得如此之多？是什么使它成为一个有吸引力的研究对象？
SS: 黑腹果蝇在生物学中作为模式生物已经被使用了一个多世纪，所以神经科学家也自然地采用了它。话虽如此，其他昆虫物种的连接组即将出现，比如蚂蚁、蚊子、蜜蜂等等。比较这些连接组并与丰富多样的昆虫行为相关联将是一个令人兴奋和有趣的研究领域。
马拉·穆尔西：果蝇是神经科学的一个重要模型系统，因为它们的大脑解决了许多我们也面临的相同问题，而且因为它们能够进行复杂的行为，如行走和飞行的执行、学习和记忆行为、导航、进食，甚至社会互动。我的实验室研究大脑是如何介导社会交流的，而且我们发现果蝇会持续使用来自社交伙伴的反馈线索，比如视觉和声音，来决定在每个时刻产生什么样的行动——它们甚至在不同的情境中能够做出不同的选择。这种复杂的行为涉及大脑的很多方面，因此需要一张大脑中所有连接的完整图谱来解决它。
这些论文讨论了“雪花”的概念，以及任何个体大脑在多大程度上能够代表一个物种的问题。这里的问题是不是虽然一个物种大脑的结构（用电子学的比喻来说就是“电路”）是相似的，但该结构内的实际连接（“布线”）可能不同？例如，神经元 x 和神经元 y 在两个大脑中可能在物理上相连，但在一个大脑中连接可能是不活跃的，而在另一个大脑中可能是活跃的？
PS：这是一个有趣的问题。在连接组学中，当两个神经元之间的连接由众多单个突触构成时，我们通常认为这种连接是“强”的。依据我们对 FlyWire 数据集与之前的部分大脑图谱所做的比较，强连接几乎总是同时存在于这两个大脑中。您（实际上还有许多其他神经科学家）现在理所当然地在问，这种连接的“结构”强度是否必然转化为“功能”强度。
简短的回答是：很有可能。稍长一点的回答是：我们目前还不确定，但就我所知，过去生理和行为研究中报道的功能连接在连接组中也被证明是结构上强的。也就是说：这仍然是一个大问题，神经科学界在未来几年将不得不解决。
这就引出了一个问题，即“布线”是否也存在某种普遍性——也就是说，是否存在某些总是相互连接的神经元，或者“硬连接”。
MM: 大脑组织确实存在相似性，弄清楚这些如何与功能相关将会令人兴奋。
果蝇大约有 10^5 个神经元，而老鼠的大脑大约有 10^8 个神经元。与神经元的数量相比，神经元之间的连接数量是如何变化的？老鼠大脑中神经元之间的连接数量是果蝇的 1000 倍，还是更多？
格雷戈里·杰弗里斯：实际上，每个神经元的突触数量的差异可能不超过 10 倍，部分原因可能是果蝇突触比哺乳动物突触小，以及它们的[多极性质]。在果蝇连接组中，强伙伴神经元之间可能也有更多的单个突触（两个神经元之间的主要连接有成千上万个单个突触）。
最后，您能否稍微谈谈拥有如此详细的果蝇大脑图谱到底怎样才能促进进一步的研究？
PS： 当然可以。这个大脑图谱确立了一个基准，未来的实验连接组能够跟它进行比较。例如，可以训练一只果蝇去讨厌原本对它有吸引力的气味，然后生成该果蝇大脑的图谱，并与 FlyWire 进行比较，来查看在电路层面上发生了啥变化。虽然脑电图在果蝇中不起作用（果蝇太小），但很多研究小组正在积极地想办法把连接组跟其他模式（像钙成像或者电生理记录）叠加起来。