Google 与 HHMI Janelia 发布完整雄性果蝇大脑连接组图谱

我们与 HHMI Janelia 以及英国剑桥的合作者携手，发布了雄性果蝇大脑和中枢神经系统的完整图谱，创造了迄今为止最大的大脑图谱。结合对鱼类、小鼠等其他物种的持续研究，这些神经连接图谱开始揭示所有大脑运作的机制。

常见的果蝇，即黑腹果蝇，一直是科学研究的核心，催生了多项诺贝尔奖。得益于其刻板行为和短暂的生命周期，果蝇一直是遗传学中的基础模式生物，并有望在神经科学领域发挥同样的作用。虽然这种喜爱水果的昆虫的思维看似与人类认知相去甚远，但差异极大的物种的大脑却有许多相似之处。由于绘制人类大脑 860 亿个神经元的图谱尚不可能，科学家正在利用 AI 绘制果蝇等较小生物的大脑图谱。这将帮助我们破译动物神经系统如何感知世界、如何对刺激作出反应，以及受损的神经通路有朝一日如何得以修复。

如今，在一个由霍华德·休斯医学研究所（HHMI）Janelia 研究园区领导的项目中，我们的团队与MRC 分子生物学实验室、剑桥大学及其他机构的合作者发布了一份雄性果蝇大脑和中枢神经系统的完整连接图谱。发表在Cell 上的“果蝇雄性中枢神经系统完整连接组中的性别二态性”，是长达十年合作的成果，利用计算和 AI 构建整个大脑的细胞尺度图谱，推动了连接组学领域的发展。该图谱拥有超过 166,000 个神经元和 1.25 亿个突触连接，是迄今为止按神经元数量计算最大的大脑图谱，为科学家将果蝇用作研究大脑运作方式的模式生物提供了基础资源。

The male fruit fly connectome also includes the ventral nerve cord, analogous to the spinal cord, and so begins to expand from just the brain into how the brain controls the body. The male fly connectome has been annotated and verified, or proofread, by a team of human experts at HHMI Janelia. It can be viewed, explored and downloaded via Neuroglancer, the open-source tool we created to enable researchers to visualize huge multidimensional datasets.

这张新的大脑图谱补充了雌性果蝇大脑图谱以及最近发布的雌性果蝇完整大脑和神经索图谱。拥有雄性和雌性的大脑及中枢神经系统图谱，可以在神经元存在差异的部位对两者进行比较，并用于研究果蝇求偶和攻击行为的生物学机制。在两性相似的大脑部位，拥有两个完整的果蝇连接组将使研究人员能够开始观察个体之间的变异性。

绘制完整果蝇大脑图谱的进展

脑图谱绘制，即连接组学，首先要把大脑切成数百万张薄片，对每个切片拍照，然后用计算机和 AI 将这些图像拼接在一起。我们的研究人员构建的系统利用 AI 将平面的电子显微镜图像转化为 3D 重建，并使用一套不断演进的技术来生成精确的神经形态。

我们的AI 连接组学工具包括泛洪填充网络，它使用卷积神经网络从单个像素出发，识别出属于同一物体的所有其他像素。2019 年，我们的连接组学团队发布了雌性果蝇大脑的初步全自动重建。到 2020 年，我们的团队与合作伙伴发布了经人工验证的半个雌性果蝇大脑图谱，包含 25,000 个神经元和 2,100 万个连接，创下当时的纪录。与此同时，团队已经在着手制作雄性果蝇的完整、经过验证的大脑图谱，目前该图谱已经完成。

这些方法在不断改进。最近的一项工作将合成神经元纳入训练数据，成功提升了我们最先进的重建系统 PATHFINDER 的速度和准确性。我们还在帮助开发用于标记和注释特定类型神经元的新技术。目前，绘制果蝇大脑图谱仅验证和注释神经形态就需要数年的人工投入。通过减少这种人工纠错的需求，研究团队可以在合理的预算和时间范围内开展更大规模的脑图谱绘制项目。

展望未来：绘制整个鱼类大脑

连接组学领域已经在向脊椎动物——即拥有脊髓的生物——推进。这些生物在解剖学、进化和功能上与人类更为相似。在一项由哥伦比亚大学领导、本周发表于Nature的研究中，我们的团队帮助绘制了象鼻鱼用于信号处理的后脑的一部分。这篇论文《用于感觉预测的小脑样回路的连接组分析》首次展示了如何将连接组这一静态资源与其他信息结合起来，研究神经可塑性与学习，从而产生了迄今为止最完整的脊椎动物大脑学习机制模型。

幼体斑马鱼是少数几种大脑小到可以用现有技术从头到尾绘制图谱的脊椎动物之一。斑马鱼还有一个优势：在幼体阶段身体透明，可以在实验中测量神经活动，正如ZAPBench 数据集所记录的那样。我们即将与哈佛大学合作发表的论文《用于幼体斑马鱼大脑神经编目和回路剖析的连接组资源》，是首个涵盖整个脊椎动物大脑神经结构和分子类型的脊椎动物全脑数据集。我们的团队还发布了一个数据集的初步版本，将神经活动与结构结合在同一只幼体斑马鱼大脑中，作为开放资源提供给研究界。

结论

雄性果蝇连接组是一项基础资源，将支撑实验神经科学的新时代，未来可应用于生物学、药学和医学。今天发布的三篇配套论文展示了雄性果蝇连接组如何已被用于视觉系统、味觉和社会行为的神经科学研究。此处开发的方法还将有助于推进其他项目，例如即将推出的经过完整校对的斑马鱼大脑图谱，以及绘制小鼠大脑的一部分。虽然对人类大脑中860亿个神经元进行建模仍然遥不可及，但我们正朝着揭示大脑如何运作、理解阿尔茨海默病、抑郁症或精神分裂症等精神疾病背后过程的方向迈进。我们希望这些努力有朝一日能带来治疗认知疾病、改善大脑健康和支持大脑修复的新方法。

致谢

我们感谢HHMI Janelia及其他地方的学术合作者，并感谢Google连接组学团队的核心贡献。我们感谢Hannah Hickey和Elise Kleeman的帮助。感谢Lizzie Dorfman、Michael Brenner、John Platt和Yossi Matias的支持、协调和领导。