2026年9月3日
Michał Januszewski 和 Viren Jain，Google Research 研究科学家
我们与 HHMI Janelia 及合作者共同发布了雄性果蝇大脑和中枢神经系统的完整图谱，这是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，这些连接图谱开始揭示所有大脑运作的机制。
常见的果蝇，黑腹果蝇，一直是科学研究的核心，并促成了多项诺贝尔奖的诞生。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本模式生物，并有望在神经科学中发挥同样的作用。虽然这种喜爱水果的昆虫的思维似乎与人类认知相去甚远，但截然不同的物种的大脑却有许多相似之处。由于绘制人类大脑中860亿个神经元的图谱尚不可能，科学家们正在使用人工智能来绘制果蝇等较小生物的大脑图谱。这将有助于我们破译动物神经系统如何感知世界、对刺激做出反应，以及有朝一日如何修复受损的神经通路。
现在，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，我们的团队及合作者发布了雄性果蝇大脑和中枢神经系统的完整连接图。该研究发表在《Cell》上，“
雄性果蝇大脑和中枢神经系统中的一小部分细胞，从前方倾斜视角（左）和从上方视角（右）观察。
雄性果蝇连接组还包括腹神经索，相当于脊髓，因此开始从仅关注大脑扩展到大脑如何控制身体。雄性果蝇连接组已由 HHMI Janelia 的人类专家团队注释和验证（即校对）。它可以通过Neuroglancer查看、探索和下载，这是我们创建的开源工具，使研究人员能够可视化巨大的多维数据集。
新的连接组包含来自中央脑（绿色）、视叶（紫色）和腹侧（即中央）神经索（蓝色）的神经元。新的连接组能够将这一关键模式生物的听觉、视觉和嗅觉输入与运动输出联系起来。
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完整雌性果蝇大脑和神经索图谱。同时拥有雄性和雌性大脑及中枢神经系统的图谱，使得两者可以在神经元存在差异的部位进行比较，并用于研究果蝇求偶和攻击行为的生物学机制。在两性相似的大脑区域，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。
一个在雄性（绿色）和先前已绘制的雌性（洋红色）果蝇大脑之间存在差异的神经元示例。雄性神经元有两个额外的投射。AI 能够实现精确的 3D 重建，从而精确定位这些结构差异。
大脑图谱绘制，即连接组学，首先将大脑切成数百万张薄切片，对每个切片拍照，然后使用计算机和 AI 将图像拼接在一起。我们的研究人员构建了利用 AI 将平面电子显微镜图像转化为 3D 重建的系统，使用一套不断发展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开始，识别属于同一对象的所有其他像素。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，我们的团队和合作者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 2100 万个连接，创下了当时的记录。与此同时，团队已经在着手制作雄性果蝇的完整验证大脑图谱，现已完成。
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，成功提高了我们最先进的重建系统 PATHFINDER 的速度和准确性。我们还正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努力。通过减少这种手动纠错的需求，研究小组可以在合理的预算和时间范围内处理更大的大脑图谱项目。
连接组学领域已经在向脊椎动物推进：即拥有脊髓的生物。这些生物在解剖学、进化上和功能上都与人类更为相似。在一项由哥伦比亚大学领导、本周发表于《自然》的研究中，我们的团队帮助绘制了其中一部分
幼体斑马鱼是少数几种大脑小到足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，使得实验期间能够测量神经活动，正如ZAPBench 数据集中所记录的那样。我们与哈佛大学即将发表的论文《用于幼体斑马鱼大脑神经编目与回路剖析的连接组学资源》，是首个涵盖整个脊椎动物大脑的脊椎动物全脑数据集，包含神经结构和分子类型。我们的团队还发布了一个数据集的初步版本，该数据集在同一个幼体斑马鱼大脑中结合了神经活动与结构，作为开放资源提供给研究界。
一张来自 Fish Fire&Wire 数据集的图像，该数据集将同一幼体斑马鱼标本的全脑电活动与神经结构结合在一起。
雄性果蝇连接组是一项基础性资源，将支撑实验神经科学的新时代，未来可应用于生物学、制药学和医学。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。这里开发的方法也将有助于推进其他项目，例如即将推出的经过完整校对斑马鱼大脑图谱，以及绘制部分小鼠大脑。虽然对人类大脑 860 亿个神经元进行建模仍然遥不可及，但我们正在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。
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。