Nature九篇论文：以前所未有的细节计算出了3000多个神经元之间的关系

　　

加州大学圣巴巴拉分校的神经科学家重建了果蝇的整个前视觉通路，这是昆虫的眼睛和大脑导航中心之间的一系列复杂连接。在人工智能和人工校对的帮助下，系统生物学家Sung Soo Kim的研究小组和合作者以前所未有的细节计算出了3000多个神经元之间的关系。

这些对果蝇前视通路的见解报告了整个果蝇大脑的神经元线路，形成了同系列一组九篇论文，发表在《自然》杂志上。在普林斯顿神经科学家Mala Murthy和Sebastian Seung的带领下，这一里程碑式的成就——迄今为止最大、最复杂的大脑图谱的描述，使我们更接近于理解动物大脑的复杂性，并为最终理解人类大脑是如何连接的奠定了基础。

前视觉通路

果蝇前视通路包含所有参与处理视觉信息并将其传递到果蝇大脑导航中心的神经元。

“在系统神经科学中，问题是神经元如何相互作用并产生感知、认知、运动命令等，但这里的主要问题是，我们不知道神经元是如何相互连接的。所以很难理解神经网络到底发生了什么。”Kim说，他是两项研究的合著者(其中一项作为共同通讯作者)。

事实上，根据不同的环境，一个单一的刺激可以导致广泛的反应，因为信息从最初的感觉阶段转移到大脑的更深层次的认知和运动阶段。Kim解释说，例如，如果你感到有什么东西压在你的皮肤上，你的周围神经元会第一个感受到压力。但是，当触摸信息快速通过大脑时，它会受到无数其他因素的修改，包括情绪、活动和压力来源，这只是其中的一些。因此，你对触摸的反应可能会有很大的不同。

“大脑正在处理许多不同的连接和反馈连接，因此这一次触摸在大脑中可能有完全不同的表现，”Kim说。

导航就是这样，这是大多数动物参与的一种基本的、目标导向的行为。利用源源不断的感官线索和反馈信息，我们对环境做出表征，并决定如何到达我们想去的地方。

2100万张电子显微镜图像

在果蝇体内，大约有50个“罗盘神经元”负责编码果蝇的方向感，这些神经元在果蝇大脑深处的甜甜圈形状的“椭球体”内平铺在一起形成一个环。这种相对简单的结构使他们的大脑成为一个很好的候选者，用来研究他们用眼睛看到的东西之间的神经回路，以及这些信息如何传播到大脑的深层区域。

Dustin Garner说:“观察果蝇大脑中的这些通路要容易得多。”几年前，霍华德休斯医学研究所Janelia研究校区的科学家们对一只果蝇的大脑进行了7050个切片，拍摄了2100万张电子显微镜图像，并将它们汇编成一个公开可用的数据库。普林斯顿大学的研究小组利用这些数据，训练人工智能来识别这些图像中的单个神经元，然后对果蝇大脑的整个神经网络进行3D重建。但它并不完美，还需要人类的眼睛来证实。Dustin Garner的工作是校对人工智能关于果蝇前视通路的输出。

他说:“能够看到单个神经元的具体情况真是太棒了。我们实际上发现了多个平行通路，它们具有相似的神经元类型，但在形式和功能上略有不同。”Dustin Garner的分析包括对这些不同类型的神经元进行分类，并通过连接来预测它们的功能。

预测功能

与此同时，Kim实验室的同事和共同主要作者Jennifer Lai通过实验证实了其中的一些预测，使用实验室的果蝇虚拟现实舞台，这是一个高度控制的环境，在果蝇可见光谱(紫外线到琥珀色)中投射光线，以便对拴着的果蝇施加刺激并观察其大脑活动。特别是，他们观察了哪些神经元会根据呈现给果蝇视觉系统的东西而激活，无论是多个小点还是垂直方向的物体。

“我们有两个主要的预测，一个是每个神经元响应的视觉区域的形状。其中一些响应垂直拉长的视觉区域，如希腊神庙中的柱子，而另一些响应更小、更圆形的视觉区域，我们在论文中提出了这一点。”另一个，她说，是“环神经元”的颜色敏感性，在视觉信息被罗盘神经元整合产生方向感之前，它是前视觉通路上的最后一个中继。她说，这项工作仍在进行中。

这些详细的连接数据可用于创建计算模型，这些模型可能会揭示动物如何导航，并可作为自动车辆导航的模型，而无需依赖GPS。