全球首張「果蠅幼蟲大腦連接組」面世：耗費(fèi)十余年，重建三千神經(jīng)元，超 50 萬突觸

原文標(biāo)題：《大腦里真有 ResNet！全球首張「果蠅大腦連接組」面世：耗費(fèi)十余年，重建三千神經(jīng)元，超 50 萬突觸！》

雖說現(xiàn)代的深度學(xué)習(xí)早已脫離對(duì)「生物神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)」的模仿，但了解生物大腦的運(yùn)行機(jī)制，對(duì)于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的未來發(fā)展仍然很有幫助。

大腦回路的結(jié)構(gòu)方式影響著大腦的計(jì)算能力，但到目前為止，除了在一些非常簡(jiǎn)單的生物體中，仍然還沒有看到任何大腦的具體結(jié)構(gòu)。

去年 11 月，來自劍橋大學(xué)、約翰霍普金斯大學(xué)、珍利亞研究園區(qū)等多家頂尖機(jī)構(gòu)的研究人員在 Biorxiv 上傳了一篇論文，經(jīng)過十余年的艱苦研究，首次完整地對(duì)「果蠅幼蟲」的大腦連接組進(jìn)行重建。

3 月 10 日，相關(guān)成果發(fā)表在《科學(xué)》雜志上。

論文作者之一，來自約翰霍普金斯大學(xué)的副教授 Joshua Vogelstein 表示，果蠅在許多方面比其他生物更接近人類的大腦，有些區(qū)域?qū)?yīng)于決策，有些區(qū)域?qū)?yīng)于學(xué)習(xí)，有些區(qū)域?qū)?yīng)于導(dǎo)航；并且果蠅幼蟲的大腦和人類也分為左右兩邊。

在對(duì)果蠅大腦的分析中還可以發(fā)現(xiàn)一些現(xiàn)代神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中的結(jié)果，比如循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、多層網(wǎng)絡(luò)之間的快捷路徑（殘差網(wǎng)絡(luò) ResNet）等，或許能啟發(fā)對(duì)機(jī)器學(xué)習(xí)模型的改進(jìn)。

好消息：重建的果蠅幼蟲的大腦連接組包括 3016 個(gè)神經(jīng)元，壞消息：人有 860 億個(gè)神經(jīng)元。

完整重建果蠅幼蟲大腦

大腦主要由「神經(jīng)元細(xì)胞」構(gòu)成，相鄰的神經(jīng)元可以在突觸細(xì)胞之間的連接處互相發(fā)出信號(hào)，其中一個(gè)神經(jīng)元釋放「神經(jīng)遞質(zhì)」，另一個(gè)神經(jīng)元負(fù)責(zé)接收這種化學(xué)物質(zhì)，大腦的神經(jīng)元和突觸的完整圖譜被稱為連接組（connectome），研究連接組對(duì)于理解大腦如何產(chǎn)生行為至關(guān)重要。

重建連接組的主要流程是將大腦切割成超薄 (20 微米) 的切片，然后用電子顯微鏡的電子流對(duì)切片進(jìn)行成像，比如要把鹽粒大小的果蠅幼蟲大腦切成幾千片，稍有差池，就得從頭再來。

對(duì)于一些簡(jiǎn)單的生物來說，構(gòu)建完整的連接組還相對(duì)容易，第一個(gè)完整繪制的是秀麗隱桿線蟲，整個(gè)身體只有 302 個(gè)神經(jīng)元，在上世紀(jì) 80 年代即完成繪制。

但到目前為止，研究人員也僅為三個(gè)有機(jī)體繪制了完整的突觸連接組，每種生物只有數(shù)百個(gè)大腦神經(jīng)元。

2020 年時(shí)，谷歌和珍利亞研究園區(qū)的研究人員曾發(fā)布過一個(gè)果蠅的大腦連接組 3D 模型，包含 25,000 個(gè)果蠅神經(jīng)元，這些神經(jīng)元跨越不同的細(xì)胞類型和多個(gè)大腦區(qū)域，但該模型并不是一個(gè)完整的大腦，即便如此，該模型也只是包含一個(gè)成年果蠅 10 萬個(gè)神經(jīng)元中的四分之一。

還有一些研究小組正在研究腦部更大的動(dòng)物的連接組，比如昆蟲、魚類、哺乳動(dòng)物等，不過由于神經(jīng)元數(shù)量太多，主要研究方法是對(duì)大腦進(jìn)行分區(qū)后單獨(dú)研究，會(huì)導(dǎo)致無法重建那些跨空間且相互連接的大腦區(qū)域。

本次重建的完整連接組屬于黑腹果蠅的幼蟲，果蠅可以表現(xiàn)出非常豐富的行為，包括學(xué)習(xí)、價(jià)值計(jì)算和行為選擇，并且與成年果蠅和較大的昆蟲具有同源的大腦結(jié)構(gòu)。

強(qiáng)大的遺傳工具可用于選擇性操縱或記錄個(gè)別神經(jīng)元類型，在易處理的（tractable）模型系統(tǒng)中，關(guān)于連接組揭示的特定神經(jīng)元和回路基序的功能作用的假設(shè)可以很容易地得到檢驗(yàn)。

研究小組將一個(gè)「6 小時(shí)大」的黑腹果蠅幼蟲的大腦切割成 4841 片，并用高分辨率電子顯微鏡進(jìn)行掃描，將成像數(shù)字化后再重新組合成一張三維圖像；在計(jì)算機(jī)分析的輔助下，最終生成的圖譜包含 3016 個(gè)神經(jīng)元和 54.8 萬個(gè)突觸。

殘差網(wǎng)絡(luò)暗藏其中

研究人員對(duì)大腦回路（circuit）結(jié)構(gòu)進(jìn)行了詳細(xì)的分析，包括連接和神經(jīng)元類型、網(wǎng)絡(luò)中樞（network hubs）和神經(jīng)回路圖。

大腦輸入輸出中樞（in-out hubs）中大部分 (73%) 是「對(duì)學(xué)習(xí)中心的突觸后中樞」或「對(duì)驅(qū)動(dòng)學(xué)習(xí)的多巴胺能神經(jīng)元的突觸前中樞」；使用圖譜嵌入（graph spectral embedding）技術(shù)將基于突觸連通性的分層聚類神經(jīng)元分為 93 種類型，這些類型在基于形態(tài)學(xué)和功能等其他特征上具有內(nèi)部一致性。

研究人員還開發(fā)了一種算法來跟蹤大腦多突觸通路中的信號(hào)傳播，并分析了前饋 (從感覺到輸出) 和反饋通路（feedback pathways）、多感官整合（multisensory integration）和跨半球的反應(yīng)（cross-hemisphere interactions）。

在大腦中發(fā)現(xiàn)了廣泛存在的多感官整合，以及從感覺神經(jīng)元到輸出神經(jīng)元不同深度的多條相互關(guān)聯(lián)的通路，形成了一個(gè)分布式的處理網(wǎng)絡(luò)。

大腦具有高度循環(huán)（recurrent）結(jié)構(gòu)，41% 的神經(jīng)元接受長程循環(huán)輸入，不過循環(huán)的分布并不均勻，在涉及學(xué)習(xí)和行動(dòng)選擇的領(lǐng)域循環(huán)率特別高。

驅(qū)動(dòng)學(xué)習(xí)的多巴胺能神經(jīng)元是大腦中最常見的神經(jīng)元之一。

有許多對(duì)側(cè)神經(jīng)元（contralateral neurons）投射到大腦兩半球，它們是進(jìn)出中樞（in-out hubs），彼此之間相互突觸，促進(jìn)了大腦兩半球之間的廣泛交流；文中還分析了大腦和神經(jīng)之間的相互作用。

研究人員發(fā)現(xiàn)，下行神經(jīng)元（descending neurons）的目標(biāo)是一小部分前運(yùn)動(dòng)元件（premotor elements），其在運(yùn)動(dòng)狀態(tài)（locomotor states）切換中扮演著重要的作用。

結(jié)論

果蠅幼蟲完整的腦連接組將在很長一段時(shí)間內(nèi)為其他腦功能理論和實(shí)驗(yàn)研究提供基礎(chǔ)，這項(xiàng)研究中產(chǎn)生的方法和計(jì)算工具將促進(jìn)未來連接體的分析。

盡管動(dòng)物王國中大腦組織的細(xì)節(jié)各不相同，但許多神經(jīng)回路結(jié)構(gòu)是守恒的。

隨著未來繪制更多其他生物的大腦連接組，不同連接組之間的比較將揭示常見的、可能是最佳的回路結(jié)構(gòu)，以及生物體之間行為差異的特質(zhì)。

在果蠅幼蟲大腦中觀察到的一些結(jié)構(gòu)特征，包括多層 shortcuts 和顯著的嵌套循環(huán)，都能夠在最先進(jìn)的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中發(fā)現(xiàn)，或許可以彌補(bǔ)當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)在深度、處理任務(wù)泛化上的問題，這些特征也可以增加大腦的計(jì)算能力，克服神經(jīng)元數(shù)量的生理限制。

未來對(duì)大腦和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)之間的相似和差異的分析可能有助于理解大腦的計(jì)算原理，并可能啟發(fā)新的機(jī)器學(xué)習(xí)架構(gòu)。

相關(guān)評(píng)論

英國埃克塞特大學(xué)神經(jīng)科學(xué)教授加什帕爾?耶凱伊表示，大腦的所有神經(jīng)元都被重建，并且所有神經(jīng)連接都得到了分析。他稱這項(xiàng)工作「非常重要」。

美國哈佛大學(xué)的凱瑟琳?杜拉克認(rèn)為，這些數(shù)據(jù)揭示了這些神經(jīng)元連接的「深層邏輯」。

不過，紐約愛因斯坦醫(yī)學(xué)院的斯科特?埃蒙斯認(rèn)為，僅僅繪制出突觸并不能提供全貌。

埃蒙斯于 2019 年繪制出了雌雄兩性的秀麗隱桿線蟲的連接組，神經(jīng)元還可以通過荷爾蒙等緩慢釋放的化學(xué)物質(zhì)以及細(xì)胞之間的其他連接（即縫隙連接）相互交流。

所有這些都必須考慮在內(nèi)，但新繪制的連接組中只包括突觸。

參考資料：

• https://www.science.org/doi/10.1126/science.add9330

• https://techcrunch.com/2023/03/09/with-this-brain-map-we-are-one-step-closer-to-total-fruit-fly-simulation/

• https://www.npr.org/sections/health-shots/2023/03/09/1161645378/scientists-first-wiring-map-fruit-fly-brain-connectome-human-learning

• https://neurosciencenews.com/neuron-brain-map-22748/

• https://www.engadget.com/scientists-create-the-most-complex-map-yet-of-an-insect-brains-wiring-085600210.html

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