美國時間2日，普林斯頓大學(Princeton University)神經科學研究所，與其結合各地科學家、人工智慧(AI)成立的FlyWire聯盟，建構出「至今最完整的果蠅(Drosophila melanogaster)大腦圖譜」，包含近14萬個、8,453種類的神經元、超過5450萬個突觸。這也是首次完整建構出特定生物體的大腦圖譜。該研究發表於《Nature》。
 
率領FlyWire聯盟的是普林斯頓神經科學研究所的科學家Mala Murthy和Sebastian Seung，他們已經利用果蠅大腦切片的電子顯微鏡影像發展FlyWire圖譜4年多，在AI的協助下將這些影像數據拼接在一起，形成完整的大腦圖譜。
 
不過，研究人員也提到，AI拼接的圖譜並不一定正確，因此，科學家們召集了多位志工，花了大量時間，進行了總共300萬次的人工編輯。雖然，已構成完整大腦圖譜，但仍須要進一步為每個神經元標記其特定的細胞類型。
 
此次完成的果蠅大腦圖譜中，共發現了8,453種類的神經元，其中有4,581種神經元是從前未曾發現過的，Seung指出，這將創造一個新的研究方向。
 
研究人員也指出，在大腦圖譜中首次發現許多不同細胞相互連結的方式令人出乎意料，例如，過去認為感覺神經元只會負責一種感覺，但此次發現，視覺神經元也會接收像是聽覺與觸覺等感官感受。
 
而FlyWire聯盟的數據也可供世界各地研究人員探索，例如，同日(10月2日)發表在《Nature》上的研究指出，成年果蠅的大腦內所有神經連結的集體稱：大腦連接組(Connectome)，研究人員運用大腦圖譜創建出果蠅大腦的電腦模型，活化其中感知甜味或苦味的神經元後，會發出一系列訊號，最終觸發與果蠅的攝食器官──口吻(proboscis)相連的運動神經元。
 
該研究進一步指出，當活化感知甜味的神經元時，會活化伸出口吻的訊號，準備進行攝食，但是，當活化感知苦味的神經元時，則會抑制該訊號。而研究人員為了驗證果蠅大腦的電腦模型是否與真實反應相同，也在真實果蠅身上進行試驗，發現該電腦模型與真實果蠅的行為反應準確率超過90%。
 
在同日發表的第三項運用果蠅大腦圖譜的相關研究中，研究人員則發現，控制果蠅行走與進食的神經迴路互相抑制，當果蠅想要停下來進食時，會有2個神經元停止從大腦發送出行走的訊號，而另一個迴路會接收訊號讓果蠅腿部關節產生阻力，使果蠅停下來。
 
在同日發表的第四項相關研究中，研究人員則將此次最完整的果蠅大腦圖譜，與先前2020年Google和霍華德休斯醫學研究所(HHMI)科學家建構的果蠅半腦連接組(Hemibrain Connectome)進行對比，半腦僅有2.5萬個神經元、超過2000萬個突觸。
 
此次最完整的果蠅大腦圖譜是雌性的果蠅，在與半腦連接組對比後發現，兩者果蠅大腦圖譜結構中的蕈狀體(mushroom body)大不相同，FlyWire建構的果蠅腦中蕈狀體的神經元數量幾乎是半腦連接組的兩倍，而蕈狀體與嗅覺有關，研究人員認為，可能是因為半腦連接組的果蠅在成長過程中，可能一直挨餓而造成大腦發育受損。
 
FlyWire聯盟研究人元表示，要充分了解果蠅大腦還需要進行很多研究，像是最新的大腦圖譜只顯示了神經元如何透過神經傳導物質等化學物質進行連接，但是並不了解神經元之間如何透過電或其他方式相互連接；此外，也希望進一步完成雄性果蠅的大腦圖譜，來研究雄性特有的行為。
 
參考資料：https://doi.org/10.1038/d41586-024-03190-y
論文：https://doi.org/10.1038/s41586-024-07558-y
 
(編譯/李林璦)