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近日，約翰·霍普金斯大學和劍橋大學合作繪製了一張極其驚人的圖譜，圖中描繪了一隻果蠅幼蟲的完整大腦連接組（connectome），其中每一個神經連接都得到了復現，包括了其中3016個神經元，連接數超過54萬個，這也是迄今為止首個昆蟲大腦圖譜。
「50年了，我們終於獲得了第一個清晰的大腦連接組的圖譜，」參與該項研究的Joshua Vogelstein博士表示，目前相關論文已經發表於頂級期刊《科學》上。
早在上世紀70年代，科學家就曾嘗試給蛔蟲繪製大腦圖譜，他們也成功地產生了部分神經連接，這也初步預示著我們能夠還原和構建出大腦的部分圖譜。目前為止，科學界一共只獲得了3種生物的完整神經連接組，包括線蟲、海洋蠕蟲幼蟲以及海鞘幼蟲，它們的完整連接組中包括了可能幾百個神經元，但是並沒有類似哺乳動物和人類大腦一樣的腦半球結構，還難以稱得上大腦圖譜。
以當下的技術來說，想要繪製大腦的整個連接組圖譜，需要將目標個體大腦切成數百甚至數千個單獨的組織樣本，這些樣本需要經過電子顯微鏡成像，然後逐個地將神經元聯繫到一起，從碎片化的樣本構建成完整的連接組。
這也意味著，大腦越複雜就越難實現這一點，因為需要拼湊的組織樣本數會非常大。為此，新研究選擇了果蠅幼蟲當作實驗對象，果蠅是一種比較成熟的模式生物，與人類共享了許多基本的生物學特徵，也是研究神經科學的優秀模型。
即使是如此小的生物，研究團隊前後一共也花費了12年才構建它們的完整大腦連接組。研究過程中，果蠅幼蟲的大腦被切成了5000份極薄的組織樣本，每個樣本都經過了顯微成像，最後拼湊了三維的組織結構。這些圖像中的單個神經元都被仔細分析，並追蹤了它們軸突和樹突與其他區域的聯繫。
據研究者介紹，每個神經元的成像就需要花費約1天的時間，這也是構建完整圖譜所需時間如此之長的原因。
當然，除了重現出了果蠅幼蟲的完整大腦連接組，他們也藉此會發現了許多與現有認知不同的現象。比如我們基本認為神經元會通過軸突輸出信息，而樹突負責接收上一個神經元的信息，也就是軸突-樹突的連接方式。但在圖譜中他們看到了例外，軸突-軸突、樹突-樹突，甚至是樹突-軸突的連接都是存在的。
這些連接既緊密又疏離，比如當感覺信息進入的時候，在信息傳遞到運動控制區域之前，它只會經過非常少的神經元，這樣可以保證個體能儘快做出運動反應。而大腦最繁忙的神經迴路往往與學習行為有關。
研究者認為這一成果讓我們朝更大的動物大腦圖譜又近了一步，目前已經有研究團隊正在繪製果蠅成蟲的大腦圖譜了，Vogelstein博士表示，「可能下一個10年，就有望在小鼠身上開展類似的研究，最後幫助理解人類的大腦。」
參考資料：
[1] Scientists complete 1st map of an insect brain. Retrieved March 14, 2023 from https://www.eurekalert.org/news-releases/981536
[2] 1st complete map of an insect's brain contains 3,016 neurons. Retrieved March 14, 2023 from https://www.livescience.com/1st-complete-map-of-an-insects-brain-contains-3016-neurons
[3] The connectome of an insect brain. Science (2023). DOI: http://dx.doi.org/10.1126/science.add9330
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