由霍华德·休斯医学研究所（HHMI）Janelia 研究园区主导、Google Research 团队及合作者参与的一项历时十年的项目，近日发布了雄性黑腹果蝇大脑与中枢神经系统的完整接线图。相关论文《Sexual dimorphism in the complete connectome of the Drosophila male central nervous system》已发表于《Cell》。
迄今最大规模的脑图谱
这份新发布的雄性果蝇连接组包含超过 16.6 万个神经元和 1.25 亿个突触连接，是目前按神经元数量计算规模最大的脑图谱。与此前仅覆盖大脑区域的图谱不同，此次完成的图谱还包含了相当于脊椎动物脊髓的腹神经索，将研究范围从大脑延伸至大脑如何控制身体。
该数据集已由 HHMI Janelia 的人类专家团队完成注释与校验，研究人员可通过开源多维数据可视化工具 Neuroglancer 进行查看、探索和下载。这一图谱与近期发布的雌性果蝇大脑及神经索图谱形成互补，使科学家能够比较两性之间神经元存在差异的区域，用于研究果蝇求偶和攻击行为的生物学机制；在两性相似的大脑区域中，两份完整的连接组也可用于观察个体间的变异性。
AI 驱动的三维重建流程
连接组学的标准流程是将大脑切分为数百万个薄片，逐层成像后利用计算机拼接。Google Research 团队构建了利用 AI 将平面电子显微镜图像转化为三维重建的系统，以生成精确的神经形态。
其核心工具之一是泛洪填充网络（flood-filling networks），该技术使用卷积神经网络从单个像素出发，识别属于同一对象的所有其他像素。此前，该团队于 2019 年发布了首个全自动重建的雌性果蝇大脑，2020 年又与合作者发布了包含 2.5 万个神经元和 2100 万个连接的人工校验半脑图谱。在最新进展中，团队将合成神经元引入训练数据，提升了当前最先进重建系统 PATHFINDER 的速度与准确率。此外，团队还在开发针对特定类型神经元进行标记和注释的新技术，以减少目前仍需耗费数年的手动纠错工作量。
向脊椎动物脑图谱迈进
连接组学正在向拥有脊髓的脊椎动物延伸。在一项由哥伦比亚大学主导并发表于《Nature》的研究中，该团队协助绘制了象鼻鱼后脑中用于信号处理的部分区域。据论文介绍，这是首次展示如何将静态的连接组资源与其他信息结合，用于研究神经可塑性与学习过程，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。
幼体斑马鱼是少数能够用现有技术从头到尾绘制全脑的脊椎动物之一，且其在幼体阶段身体透明，可在实验中直接测量神经活动。团队与哈佛大学合作的即将发表的论文，提供了首个涵盖整个脊椎动物大脑神经结构与分子类型的斑马鱼全脑数据集。团队还发布了一个初步数据集，将同一幼体斑马鱼大脑中的神经活动与结构信息结合起来，作为开放资源提供给研究界。
同步发布的三篇配套论文展示了雄性果蝇连接组在视觉系统、味觉和社会行为神经科学研究中的初步应用。这些方法也将用于推进即将完成的斑马鱼全脑人工校验图谱以及小鼠部分大脑的绘制工作。