连接组学里程碑：绘制雄性果蝇完整大脑图谱

普通果蝇（黑腹果蝇，*Drosophila melanogaster*）一直是科学研究的核心对象，已催生多项诺贝尔奖。凭借典型的行为模式和短生命周期，果蝇早已成为遗传学研究的基石模式生物，在神经科学领域同样潜力巨大。虽然这种嗜甜昆虫的"思维"似乎与人类认知相去甚远，但不同物种的大脑却共享诸多相似之处。鉴于目前尚无法绘制人类大脑中860亿个神经元的全部连接，科学家们正利用AI绘制果蝇等小型生物的大脑图谱。这将帮助我们理解动物神经系统如何感知世界、对刺激作出反应，以及受损神经通路未来或许如何被修复。 如今，在霍华德·休斯医学研究所（HHMI）詹利亚研究校区主导的项目中，我们的团队与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。该成果发表在《Cell》杂志上，题为《果蝇雄性中枢神经系统完整连接组的性二态性》，是历时十年合作的结果，利用计算和AI技术以细胞级分辨率构建完整大脑图谱，推动了连接组学领域的发展。此图谱包含超过16.6万个神经元和1.25亿个突触连接，是目前神经元数量最多的脑图谱，为科学家使用果蝇作为模式生物研究大脑工作机制提供了基础性资源。 雄性果蝇大脑和中枢神经系统中一小部分细胞的视图，分别从前方偏角（左）和上方（右）拍摄。 雄性果蝇连接组还包含了腹神经索，类似于脊椎动物的脊髓，这意味着研究范围正从单纯的脑部向大脑如何控制全身扩展。该雄性果蝇连接组已由 HHMI Janelia 的人类专家团队完成了标注、验证和校对工作。研究人员可通过 Neuroglancer——我们打造的开源工具，用于帮助研究人员可视化海量高维数据——浏览、探索和下载该连接组。 新的连接组包含了来自中枢脑（绿色）、 optic lobes（紫色）和腹神经索（蓝色）的神经元。这一新连接组实现了对这一关键模式生物听觉、视觉和嗅觉输入与运动输出之间的关联。 该新脑图谱与雌性果蝇脑图谱及近期发布的完整雌性果蝇脑部及神经索图谱相互补充。同时拥有雄性和雌性大脑及中枢神经系统的图谱，使得研究人员能够在神经元存在差异的区域进行比较，并用于研究果蝇求偶和攻击行为的生物学机制。在两性相似的脑区，拥有两套完整的果蝇连接组将使研究人员得以开始观察个体间的差异。

这张图片展示了雌雄果蝇大脑中存在差异的一个神经元示例：雄性神经元（绿色）与之前绘制完成的雌性神经元（品红色）相比，多出两个突起。AI 技术能够实现精确的 3D 重建，从而精准定位这些结构差异。

果蝇全脑图谱的绘制步骤

脑图谱绘制，或称连接组学，首先将大脑切成数百万张薄片，对每一片拍照，再借助计算机和 AI 将图像拼接起来。我们的研究人员利用 AI 将平面电子显微镜图像转化为 3D 重建，并不断迭代技术套件以生成精准的神经形态。

我们的AI 连接组学工具包括洪水填充网络（flood-filling networks）——该网络基于卷积神经网络，从一个像素出发，识别出属于同一目标的所有像素。2019 年，我们的连接组学团队发布了雌性果蝇大脑的首个全自动 3D 重建。到 2020 年，团队与合作方发布了一份经人工核验的雌性果蝇半脑连接组图谱，包含 25,000 个神经元和 2100 万条连接，创下了当时的纪录。与此同时，团队一直在进行雄性果蝇完整验证图谱的绘制，如今这一工作已圆满完成。

这些方法仍在不断优化。最近，我们将合成神经元引入训练数据，成功提升了业界领先的重构系统 PATHFINDER 的绘制速度与精度。同时，我们也在协助开发针对特定神经元类型的标记与注释新技术。目前，果蝇脑图谱绘制仅靠人工核验和注释神经形态就需耗时数年。降低对人工纠错的依赖后，各研究团队便能以合理的预算和时间表推进更大规模的脑图谱项目。

展望未来：绘制完整的鱼类脑图谱

连接组学领域已逐步向脊椎动物拓展：这类生物拥有脊髓，在解剖结构、演化脉络与功能机制上均与人类更为相近。本周发表于《Nature》的一项由哥伦比亚大学主导的研究中，我们团队协助绘制了象鼻鱼后脑中负责信号处理的部分。该论文《用于感官预测的小脑样回路连接组分析》首次证明了，将连接组这一静态资源与其他数据相结合，可用于研究神经可塑性与学习过程，进而构建出迄今最完整的脊椎动物大脑学习机理模型。

幼体斑马鱼是少数几个大脑足够小、能用现有技术完成端到端全脑映射的脊椎动物之一。斑马鱼在幼体阶段还是透明的，这让实验过程中的神经活动测量成为可能，ZAPBench 数据集就捕捉到了相关数据。我们与哈佛大学合作的即将发表的论文《A connectomic resource for neural cataloguing and circuit dissection of the larval zebrafish brain》发布了首个涵盖整个脊椎动物大脑的神经结构与分子类型的完整数据集。我们的团队还发布了一个将同一只幼体斑马鱼大脑的神经活动和结构相结合的数据集的初步版本，作为面向研究社区的开放资源。 来自 Fish Fire&Wire 数据集的一张图片，展示了同一只幼体斑马鱼标本的全脑电活动与神经结构。

Conclusion

雄性果蝇的连接组是一项基础性资源，将为实验神经科学开启新时代，未来有望应用于生物学、药学和医学领域。今天发布的三篇配套论文展示了该连接组已被用于视觉系统、味觉和社会行为等神经科学研究。这里开发的方法也将助力其他项目，例如即将完成全面校对的斑马鱼大脑图谱，以及小鼠大脑部分区域的映射工作。虽然目前尚无法对860亿个神经元构成的人脑进行建模，但我们正逐步揭示大脑的工作原理，并深入理解阿尔茨海默病、抑郁症和精神分裂症等精神疾病的潜在机制。我们期望这些努力未来能带来认知疾病的新疗法，改善大脑健康，并推动大脑修复。

Acknowledgments

感谢HHMI Janelia及其他学术合作者，并感谢Google连接组团队的核心贡献。感谢Hannah Hickey和Elise Kleeman提供的帮助。感谢Lizzie Dorfman、Michael Brenner、John Platt和Yossi Matias在支持、协调和领导力方面的付出。