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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