征服连接组绘制大脑的秘密
FlyWire 是一项人类与人工智能合作项目，旨在重建果蝇完整的大脑连接组。全球数百名科学家的贡献使其成为可能。这种资源的潜在好处是巨大的--我们现在可以通过最终将神经元布线与大脑功能联系起来，在理解大脑如何工作方面取得重大进展。Seung 和 Murthy 利用果蝇大脑切片的电子显微镜图像，开发 FlyWire 地图已经有四年多时间。在人工智能（AI）工具的帮助下，研究人员和他们的同事将数据拼接在一起，形成了完整的大脑地图。
现在，神经科学领域的一项里程碑式的成就有望改变这一切。经过数十年的艰苦工作，研究人员首次构建了整个成人大脑的综合线路图，或称 "连接组"。这可不是普通的大脑--这个连接组属于不起眼的果蝇--黑腹果蝇。虽然果蝇的大脑似乎与人类大脑相去甚远，但这一了不起的壮举代表着我们在探索解码大脑内部工作机制的道路上迈出了重要一步。
最近发表在《自然》（Nature）杂志上的一项研究描述了新的果蝇连接组，提供了有关果蝇神经回路的前所未有的细节。它包含了惊人的 139,255 个神经元和 5450 万个突触连接，是迄今为止构建的最全面的全脑线路图。这一非凡的资源不仅揭示了功能正常的大脑的组织原理，而且还让我们看到了绘制人类连接组图谱的诱人前景。
要理解这一突破的意义，我们必须首先了解长期以来阻碍连接组学（专门绘制神经网络图的领域）进展的挑战。追踪神经元之间错综复杂的连接网络是一项极其复杂的工作，需要专门的成像技术和计算能力，而这些技术和能力直到最近才得以实现。
一直以来，重建神经回路的工作仅限于大脑的一小部分，如视网膜或单个脑区。虽然这些局部线路图已经产生了宝贵的见解，但它们还不能满足真正理解大脑作为一个综合系统如何运作所需的整体认识。相比之下，苍蝇连接组涵盖了整个中枢神经系统，提供了从感觉输入到运动输出的信息流的全面视图。
这种完整程度非同小可。以解析单个突触所需的分辨率对整个成蝇大脑进行成像是一项巨大的技术挑战，需要采集数万亿像素的电子显微镜数据。而这仅仅是个开始--数据必须经过专家注释团队艰苦的对齐、分割和校对，以确保最终重建的准确性。
据 FlyWire 财团（这一里程碑式成就背后的合作组织）估计，这一重建工作需要 33 人年的人工校对。这项艰巨的工作不仅需要专业神经科学家的参与，还需要全球公民科学家社区自愿贡献他们的时间和专业知识来完善数据集。
其结果是一个无比详细和完整的连接组，有望彻底改变我们对大脑的连接方式和功能的认识。通过追踪苍蝇中枢神经系统内的全部神经连接，研究人员现在可以探索从感觉输入到运动输出的信息流，揭示特定行为的电路机制，并对大脑结构的组织原理获得新的认识。
也许最令人兴奋的是，这种连接组有可能成为连接蝇脑和人脑的桥梁。虽然二者在规模和复杂性上存在巨大差异，但它们在基本神经结构上却有着根本的相似之处。蝇类的神经系统相对简单，长期以来一直是研究大脑功能基本机制的宝贵模式生物。现在，新的连接组提供了前所未有的细节，为我们了解更复杂的大脑（包括我们自己的大脑）提供了指导和信息。
在研究感觉处理和感觉运动整合方面，苍蝇连接组已经取得了成果。通过追踪从苍蝇视觉系统到运动输出的路径，研究人员发现了感官信息如何转化为行为指令的新见解。
例如，连接组揭示了苍蝇眼球系统背后的复杂电路--这是一组简单的无晶状体眼睛，可以检测环境光照度的变化。这些眼球被认为在稳定苍蝇的视线和协调其飞行动作方面发挥着关键作用，但其精确的神经机制却一直难以捉摸。
然而，新的连接组使研究人员能够绘制出眼球系统的完整线路图，追踪从感光器到大脑中一个名为眼球神经节的专门区域，再到控制头部和身体运动的下行运动神经元的信息流。这种详细程度使研究人员能够提出一种特殊的电路机制，通过这种机制，眼轴可以帮助苍蝇保持稳定的飞行和注视能力。
重要的是，小脑回路只是利用连接体揭示行为神经基础的一个例子。通过将解剖学数据与功能研究相结合，研究人员可以开始拼凑大脑线路是如何产生我们在苍蝇身上观察到的丰富行为的。
当然，就复杂程度而言，苍蝇大脑与人类大脑仍有很大差距。成人大脑包含约 860 亿个神经元，是苍蝇的 600 多倍。尽管苍蝇的连接体代表了令人印象深刻的工程学壮举，但人类大脑错综复杂的连接网络要比它复杂得多。
尽管如此，从苍蝇连接组中吸取的经验教训无疑将为绘制人脑图谱提供参考，并加速绘制工作。为苍蝇项目开发的策略和技术，从先进的电子显微镜技术到用于数据处理和分析的可扩展计算管道，都可以调整并应用于人脑。从苍蝇的神经结构中获得的洞察力可能会为所有物种大脑功能的组织原则提供重要线索。
事实上，构建首个全面的人类连接组的竞赛已经开始。美国的 "脑研究促进创新神经技术（BRAIN）计划 "和欧洲的 "人脑计划 "等几项重大计划都致力于实现这一宏伟目标。虽然技术挑战是艰巨的，但潜在的回报却是巨大的。
完整的人类大脑线路图不仅会彻底改变我们对认知和意识的理解，还能为从神经学、精神病学到人工智能等领域的突破性进展铺平道路。通过绘制大脑错综复杂的神经回路图，研究人员可以对神经和精神疾病的起源获得前所未有的洞察力，从而有可能开发出新的诊断工具和靶向疗法。通过逆向工程大脑的信息处理能力，我们可能会揭开制造真正智能机器的秘密，这些机器的认知能力可以达到甚至超过人类水平。
当然，通往人类连接组的道路漫长而充满障碍。人脑的规模之大，加上其神经结构的内在复杂性，带来了巨大的技术挑战，需要多年的不懈努力和创新。而且，即使获得了全面的线路图，将解剖学知识转化为对大脑功能的理解本身也将是一项巨大的挑战。
然而，蝇类连接组项目的成功带来了一线希望。它表明，只要有充足的资源、尖端的技术和协作精神，看似不可能的事情也能实现。正如苍蝇连接组所显示的那样，即使是从一个 "简单 "的大脑中获得的洞察力，也能对我们理解已知宇宙中最复杂的生物结构--人类大脑--产生深远的影响。
展望未来，果蝇连接组是一个光辉的典范，它证明了当科学家将目光投向看似不可能完成的任务时，能够取得怎样的成就。它证明了人类的智慧、毅力和合作科学的变革潜力。在我们继续探索揭开大脑奥秘的过程中，它也是对未来可能取得的突破的一个诱人预览。
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