Science绘制新型神经元参考图谱

　　

生物通报道  神经科学家们获得了一份新的指南，可为他们开展研究工作了解果蝇神经结构的功能提供参考。来自霍华德休斯医学研究所和约翰霍普金斯大学的研究人员，记录了整个果蝇幼虫大脑活化神经元的行为效应并对其进行了分类。研究人员还发现，幼虫大脑的1万个神经元大多数为活化细胞。他们的研究成果在线发表在3月27日的《科学》（Science）杂志上。

剑桥大学神经科学家William Schafer（未参与该研究）说：“他们提出了一个框架，几乎完整地描述了当你强烈地刺激神经元时它在做什么。我认为这真的很棒。”

哈佛大学神经科学家和物理学家Aravinthan Samuel（未参与该研究）说：“这项研究工作给我带来了一些希望，表明我们可以真正地了解果蝇大脑。”

根据感官输入和内在状态，神经系统可以生成许多不同的运动模式。鉴别出生物体中控制行为的神经元和回路是非常困难且辛苦的过程，通常一次只能只能观察确定一种行为。由于多种原因生成神经元-行为图谱对于研究人员而言一直以来是一个重大的挑战。首先，缺乏选择性操控小部分神经元，同时又能观测自然行为的实验工具。其次，建立神经操作与随时间变化的行为反应之间的因果联系所面临的计算统计学挑战让人望而生畏（延伸阅读：华人学者Cell绘制小鼠大脑神经网络图）。

在这篇新文章中，研究小组采用了完全不同的方法来绘制神经元-行为图谱。他们通过光遗传学激活了果蝇幼虫中1054种经鉴别的神经元细胞系，并追踪了来自37,780只果蝇的行为反应。随后对行为数据进行分析，鉴别出了29种不同的行为表现。研究人员发现其中许多的类型与科学家们从前记录的行为相似。其中包括“摆动逃脱”、“直线逃脱”、“转身”和“后退”等。

维也纳大学及分子生理学研究所神经科学家和物理学家Alipasha Vaziri（未参与该研究）说：“他们似乎发现了以往未识别出的一些新的行为类型，还验证了一些过去根据人类进行分类的一些行为。”

最终，研究人员将一些行为表现与相关神经元联系起来。论文的共同作者、霍华德休斯医学研究所的Marta Zlatic指出，一组特定的神经元有可能促成了多种行为。神经元组与行为之间的关系看起来有一定的随机性——激活相同遗传背景的个别动物的一些神经元并不总是导致完全相同的效应，但一些神经元组似乎确实与某些行为相关。

现在Zlatic还在致力于生成果蝇幼虫神经元连接的接线图。她希望很快能够结合她的神经-行为图谱和接线图，了解神经元链产生行为的机制。

“尽管还有大量的工作要做，新研究为开始阐明介导不同行为的神经元提供了一个极好的资源。这是一个很好的起点，”Samuel说。

（生物通：何嫱）

生物通推荐原文摘要：

Discovery of Brainwide Neural-Behavioral Maps via Multiscale Unsupervised Structure Learning

A single nervous system can generate many distinct motor patterns. Identifying which neurons and circuits control which behaviors has been a laborious piecemeal process, usually for one observer-defined behavior at a time. We present a fundamentally different approach to neuron-behavior mapping. We optogenetically activated 1,054 identified neuron lines in Drosophila larva and tracked the behavioral responses from 37,780 animals. Applying multiscale unsupervised structure learning methods to the behavioral data identified 29 discrete statistically distinguishable and observer-unbiased behavioral phenotypes. Mapping the neural lines to the behavior(s) they evoke provides a behavioral reference atlas for neuron subsets covering a large fraction of larval neurons. This atlas is a starting point for connectivity- and activity-mapping studies to further investigate the mechanisms by which neurons mediate diverse behaviors.