機器之心報道
(資料圖片)
這將進一步推動科學家們探索在 3D 環境中對果蠅大腦進行精確的計算機模擬。
從秀麗隱桿線蟲 (302 個神經元) 到果蠅 (約 10 萬個神經元)，截止到今天，已經有許多項目繪制了各種生物的全腦連接組圖譜。而黑腹果蠅是被人類研究得最徹底的生物之一，截至 2017 年，已有 8 個諾貝爾獎頒發給使用果蠅的研究。
研究者對果蠅的研究還在繼續，近日，來自普林斯頓大學等機構的研究者發布了果蠅的全腦連接組，包括約 130k 個注釋神經元和數千萬個類型突觸。
大家多少都了解，從古老的動物開始就存在基本的神經系統，但大腦系統的出現要追溯到 5 億年前。研究表明將大腦劃分為不同區域有助于理解其功能。
然而，多年來，關于神經元和突觸層面的神經連接圖一直存在爭議，造成這一現象的主要原因在于人類缺乏能夠重構此類連接圖的技術。隨著技術的發展，情況在 21 世紀初才開始發生變化。
直到今天，來自普林斯頓大學等機構的研究者發布了果蠅的全腦連接組，這是首個完整的成年果蠅大腦神經連接圖。
論文地址：https://www.biorxiv.org/content/10.1101/2023.06.27.546656v1.full.pdf
在該成果發布之后，有人表示：「許多項目繪制了各種生物的全腦連接組圖，從秀麗線蟲（302 個神經元）到果蠅（約 100k 神經元）。以我們目前的計算能力，為什么不能在一個虛擬的 3D 環境中對這些生物進行精確的計算機模擬呢？」
首個完整的成年果蠅大腦神經連接圖
果蠅的大腦看起來很小，擁有 10^5 個神經元和 10^8 個突觸，盡管如此，果蠅借助這些能夠完成看、聞、聽、走，當然還能飛。
長期以來，研究者通過電子顯微鏡（EM）圖像已經對果蠅大腦的部分區域進行了重建，這些圖像清晰度還不錯，能夠顯示出神經元的細小分支和相連的突觸。由此得到的神經回路的連接圖為研究者理解大腦如何產生社交行為、與記憶有關的行為以及導航行為提供了關鍵見解。
然而，EM 方法雖然已經應用于大腦的部分區域，并重建了信息豐富的局部連接圖，但對于更全面地理解大腦功能來說，這種方法還不足夠。
此前，研究者基于 Ito 等人的研究來構建單個神經突觸網格，本文采用的網格是基于此前生成完整大腦分割的 JFRC2 標準腦模板，這些網格也被用于 Virtual Fly Brain（模擬果蠅）項目。通過一系列非剛性變換，該研究將這些網格從 JFRC2 空間移動到 FlyWire（FAFB14.1）空間中。
注：FlyWire 是一個用于探索果蠅大腦的全腦連接組學平臺。自 2019 年以來，科學家和經驗豐富的校對員一直在使用 FlyWire 來校對 AI 對整個果蠅大腦的分割。截至 2023 年 6 月，在 FlyWire 中已經校對了超過 120,000 個神經元，包括整個中央大腦。
如下圖所示，該研究重建的整個成年果蠅大腦包含 127,978 個神經元（圖 1a），它們之間有 5300 萬個突觸。成年雌性果蠅的全腦圖像 (圖 1e, f) 先前通過串行切片傳輸 EM 獲得，并由 Zheng et al. 發布到公共領域。
本文表明，該研究對整個果蠅大腦的重建所得到的連接圖已經足夠完整，足以被稱為「連接組（connectome）」。與秀麗隱桿線蟲（300 個神經元，小于 10^4 個突觸）和果蠅第一齡幼蟲（3,000 個神經元，5×10^5 個突觸）相比，其連接組有了明顯的飛躍：連接組不僅僅是數量上超越了果蠅半個大腦，它還涵蓋了果蠅中央大腦的食道下區（SEZ），該區域對味覺和機械感知等非常重要，此外，連接組還涵蓋了從果蠅大腦向下驅動運動神經元的過程。
下圖為神經元類別，圖（a）顯示將果蠅大腦中的神經元按「流」進行分類：內在的、傳入的、傳出的。然后每個流類根據位置和功能進一步劃分為「超類」。第一次公開發布的復眼缺失了約 8000 個視網膜細胞和一個半球的四個小眼珠，這些部分用陰影條表示。（b）利用這些神經元注釋，該研究在果蠅大腦的超類之間創建了一個聚合的突觸圖。(c) 每個超類中所有神經元的效果圖。(d) 除了眼神經和頸結締組織 (CV) 外，每個半球還有 8 個神經。所有穿過神經的神經元都被重建和解釋了。(e) 感覺神經元可以根據其對感覺模態的響應進行細分。在 FlyWire 中，幾乎所有的感覺神經元都已經按模態進行了分類。(f) 所有非視覺感覺神經元的渲染圖。
下圖為果蠅大腦負責處理視覺信息的示圖：
下圖為信息通過果蠅的中央大腦流動：
有史以來最大的細胞類型的驗證集合
FlyWire 連接組是迄今為止獲得的最大和最復雜的連接組。在另外一篇論文《A consensus cell type atlas from multiple connectomes reveals principles of circuit stereotypy and variation》中，團隊提出并回答了一些關鍵問題，進一步解釋了這種規模的連接組：
1）如何知道哪些 edge 是重要的？
2）如何簡化連接組圖以幫助自動或人工分析？
3）該連接組在多大程度上是一個單一的大腦的快照或代表這個物種的整體？
論文鏈接：https://www.biorxiv.org/content/10.1101/2023.06.27.546055v1.full.pdf
這些問題，都與數據集內和跨數據集的連接組注釋和細胞類型鑒定有著密不可分的聯系。
在最基本的層面上，如果沒有一個全面的注釋系統，導航這個連接組將是非常具有挑戰性的。所以，團隊這篇論文的注釋提供了一個索引和分層的人類可讀部件列表，使生物學家們能夠探索他們感興趣的系統和神經元。
連接組注釋對于確保數據質量也是至關重要的，因為它不可避免地揭示了必須糾正的分割錯誤。此外，果蠅有豐富的歷史，探究廣泛的先天和后天行為的電路基礎，以及它們的發育遺傳起源；想要實現數據集的全部潛力，只有通過交叉識別連接組內的細胞類型與那些先前在已發表和正在進行的文獻中的特征。
與部分半腦連接組的對比證實了，大多數蒼蠅細胞類型是高度定型的；以及，定義簡單和一般啟發式的連接組內的連接是可靠的，也更可能是功能性的。然而，這也揭示了一些細胞類型的意外變化，并表明許多細胞類型最初在半腦中的報告不能可靠地重新識別。這一發現使研究者認為有必要開發和應用一種新的強有力的方法來定義跨連接組學數據集的細胞類型。
在這項研究中，研究者為蒼蠅大腦中的所有神經元生成了人類可讀的不同粒度水平上（超類、細胞類、血緣類等）的注釋。
研究者提供的 4179 種細胞類型圖譜并不是有史以來最大的（半腦有 5620 種，小鼠腦中的最新工作提供了多達 5000 個分子簇）。然而，某種程度上說，它是有史以來最大的細胞類型的驗證集合。
細胞類型是一個關于動物內部和跨動物的生物變異性的可證實的假設。在秀麗隱桿線蟲中，從最初的連接組推斷出的 118 個細胞類型已被隨后的連接組和分子數據的分析所明確支持。在一些哺乳動物中，生成 100 個細胞類型的目錄是可能的，且已被比如在視網膜或運動皮層的多模態數據所驗證。
然而，大規模的分子圖譜產生了高信息量的層次結構，但還沒有嘗試精確地定義終端細胞類型 —— 跨個體的最細單元。研究者首次對 5000 多種細胞類型測試了這一可證偽的細胞類型假設，在 3 個半球的連接體數據中確認或糾正了約 3166 種細胞類型。
值得注意的是，連接組數據對細胞類型的劃分特別有意義：它本身是多模態的（通過提供形態學和連接性），而且能夠看到大腦內的所有細胞（完整性）。通過這一嚴格測試的細胞類型是非常不可能被修改的（永久性）。基于這種理解，僅在 FlyWire 數據集的兩個半球內定義的另外 850 個細胞類型也應該是準確和永久的。研究者認為，連接組數據將成為細胞類型的黃金標準。因此，將分子和連接組學的細胞類型聯系起來將是關鍵。
在 FlyWire 中，超過三分之一的半腦細胞類型還不能被識別，可能人們會感到有些驚訝甚至失望。研究者重申，大多數細胞是可以被識別的，而且他們期望通過自己和其他同行的努力，在現在的平臺和工具上繼續逐步改進。
盡管如此，目前的結果揭示了幾個重要的問題：首先，使用單一腦半球的數據所確定的許多細胞類型現在需要修改；其次，新的多連接組分型方法（圖 6）為該問題提供了一個強大而有效的方法；第三，成年蒼蠅連續變異的例子通常與哺乳動物細胞類型相關，研究者現在也有工具和數據，能夠以此前不可能的精度來處理這種變異。
跨腦細胞分型
總體來說，這項工作奠定了某些基礎，既可以深入研究目前和預期中正常的蒼蠅連接組，也可助力未來的性雙態、經驗依賴的可塑性、全腦規模發展和疾病等方向的研究。
?THE END
轉載請聯系本公眾號獲得授權
投稿或尋求報道：content@jiqizhixin.com
