大脑是由神经元之间错综复杂的连接组成的系统。绘制这些连接图谱是理解大脑工作原理的重要一步。科学家们最近完成了迄今为止最雄心勃勃的此类图谱构建工作：一份关于成年果蝇大脑中每个神经元和每个连接的完整文档。
这项研究代表了首个能够行走和视物的动物的此类图谱，也是首个成年动物大脑的完整图谱。它追踪了近交果蝇（*Drosophila melanogaster*）大脑中全部 139,255 个神经元以及它们之间 5000 万个连接的每一个，是迄今为止规模最大、最详细的图谱。研究人员已经为同一物种的幼虫创建了一个类似的图谱，但幼虫的大脑要小得多，只有大约 3000 个神经元。成年人的大脑还需要处理更多信息和行为。
该图谱在 10 月 2 日发表在《自然》（*Nature*）杂志上的两篇论文中进行了描述。这是全球 76 个机构的 287 名研究人员合作的成果，使用了超过 100 TB 的数据。
共同作者 Phillip Schlegel、Sven Dorkenwald、Sebastian Seung、Gregory Jeffris、Davi Bock 和 Mala Murthy 就这一里程碑式的成就接受了《流行科学》（*Popular Science*）的采访。
显而易见，大小差异巨大，而且苍蝇的大脑包含我们没有的结构，例如蕈状体——但从神经元如何连接以及“线路”如何形成的层面来看，果蝇的大脑与我们的有多相似？
Philipp Schlegel：在神经元到神经元的连接层面，我们的大脑和昆虫的大脑非常相似，这就是为什么果蝇是研究大脑如何工作如此出色的模型系统。话虽如此，当然也存在一些差异，我常常发现自己对分歧之处比相似之处更感兴趣。
Sebastian Seung：蕈状体就是一个很好的例子。确实，我们的神经系统没有这种嗅觉结构。然而，我们的梨状皮层被认为是与昆虫的蕈状体在连接性上相似的。（这种类比可以扩展到整个嗅觉系统。）由于果蝇和人类的基因组相似，我们很早就知道果蝇和人类的大脑在分子层面一定存在相似之处。我们花了更长的时间才意识到，在神经回路层面也存在相似之处，这可以通过检查连接模式来揭示。
[一个问题是]为什么存在神经回路的相似性，尽管果蝇和人类的进化祖先非常古老。也许这些相似性是通过趋同进化产生的。在分子层面，昆虫和人类的嗅觉系统似乎截然不同；嗅觉受体的基因也不同。但神经回路可能最终变得相似，因为它们必须解决相同的计算问题。
视频：果蝇大脑中约 14 万个神经元的 3D 渲染图。鸣谢：数据来源：FlyWire.ai；渲染：Philipp Schlegel（剑桥大学/MRC LMB）。
Davi Bock：在果蝇大脑和我们的大脑中，大量的神经元网络以某种方式结合起来处理信息、驱动行为、存储和回忆记忆。在这两个大脑中，神经元都产生动作电位，使用常见的神经递质等等。两个大脑都具有大规模的递归连接的特征；并且两个大脑都显示出有趣的神经网络结构的迹象，我们非常希望对其进行更详细的了解。
因此，虽然存在差异，但如何组织大型神经元网络来处理、存储和回忆信息这一核心问题，在不同物种之间几乎不可避免地存在共同的基础。弄清楚这一点是一个难题，而成年果蝇在信息处理和行为能力方面似乎是“比人类简单得多”和“仍然非常有趣”之间的一个令人满意的折中。
在某种程度上，如果存在一个“典型”的神经元，那么果蝇大脑中的典型神经元与人类的相比如何？它们大小相同吗？它们有相似数量的树突和突触末梢吗？它们形成相似数量的连接吗？
PS：定义一个“典型”的神经元并非易事，正如我们在果蝇相对较小的大脑中发现的（超过 8000 种）细胞类型所证明的那样。例如，在果蝇的视觉系统中，神经元的平均“长度”约为 0.6 毫米（即神经元所有分支的总长度），并且大约有 270 个输入和 500 个输出。Greg 在下面已经提到了这一点，但说哺乳动物神经元比果蝇神经元大 10 倍可能相差不远。
在哺乳动物大脑中，单个突触通常是“一对一”的，即它们在恰好两个神经元之间形成连接。相比之下，昆虫的突触通常是“一对多”（“多聚”）的，这意味着它们连接多个不同的神经元。这可能是因为什么原因有待猜测，但也许这与昆虫大脑试图在非常小的脑腔中尽可能多地容纳连接性（以及计算能力）有关。
SS：人类神经元通常要大得多。一个人的神经元可以从大脑的一侧延伸到另一侧，或者从大脑延伸到脊髓。长颈鹿或鲸鱼的神经元可能更大。
果蝇的神经化学与人类相比如何？我们在果蝇大脑中看到的神经递质是否与我们在人类大脑中观察到的相同，还是只看到其中的一部分？它们在两个大脑中发挥的作用是否相同？果蝇大脑中是否存在人类大脑中未观察到的神经递质？
PS：果蝇使用的神经递质（如多巴胺、GABA、乙酰胆碱等）与我们相同。
SS：主要的神经递质是相同的，但它们的工作方式有所不同。例如，谷氨酸在我们的大脑中主要是兴奋性的，但在果蝇大脑中通常是抑制性的。但也有相似之处。例如，多巴胺似乎在果蝇和人类大脑的“奖励学习”中都很重要。
最终，我们看到的是一个工作原理与人类大脑根本上相似，但更小、更容易绘制的脑吗？还是存在显著的差异？
SS：这是一个“半满”或“半空”的问题。既有相似之处，也有差异。我们现在知道，果蝇的嗅觉、视觉和导航神经回路与哺乳动物的相同功能神经回路在结构上具有相似性。我的意思是，在这些神经回路中存在相似的连接模式，就像不同的建筑物中可能发现相似的建筑模式一样。
果蝇的连接组图谱正在帮助神经科学家首次真正深入地理解任何大脑的功能。在这一点上，任何一个我们可以真正理解的大脑都有助于我们理解所有的大脑。
为什么这种特定的果蝇是如此被深入研究？它有什么吸引人的地方？
SS：近交果蝇（*Drosophila melanogaster*）作为生物学模型已经被使用了一个多世纪，因此它自然也被神经科学家所采用。话虽如此，其他昆虫物种的连接组图谱也在酝酿之中：蚂蚁、蚊子、蜜蜂等。比较这些连接组图谱并将其与昆虫丰富多样的行为联系起来，将是一个令人兴奋且有趣的 연구 领域。
Mala Murthy：果蝇是神经科学领域重要的模型系统，因为它们的大脑解决了我们面临的许多相同问题，而且它们能够进行复杂的行为，如行走和飞行、学习和记忆行为、导航、觅食，甚至社交互动。我的实验室研究大脑如何介导社交交流，我们发现果蝇不断利用社交伙伴的反馈线索，如视觉和听觉，来决定每时每刻要采取什么行动——它们甚至可以在不同的情境下做出不同的选择。这种复杂的行为涉及大脑的大部分区域，因此需要绘制大脑所有连接的完整图谱来解决。
这些论文讨论了“雪花”的概念，以及任何个体大脑对一个物种的代表性如何的问题。这里的问题是，虽然大脑的结构（用电子学类比来说，就是它的“电路”）在一个物种中是相似的，但结构中的实际连接（“线路”）可能不同吗？例如，在两个大脑中，神经元 x 和神经元 y 可能在物理上相连，但在一个大脑中连接可能处于激活状态，而在另一个大脑中则可能处于非激活状态？
PS：这是一个有趣的问题。在连接组学中，我们倾向于认为两个神经元之间的连接是“强”的，当它由许多单独的突触组成时。根据我们对 FlyWire 数据集与先前部分大脑图谱的比较，强连接几乎总是在两个大脑中都存在。你（以及实际上许多其他神经科学家）现在正在正确地询问，连接的“结构”强度是否必然转化为“功能”强度。
简短的回答是：很可能如此。稍微长一点的回答是：我们还不确定，但据我所知，过去生理学和行为学研究中报告的功能连接在连接组中也恰好是结构上很强的。话虽如此：这仍然是一个重大的问题，神经科学界将在未来几年内必须解决。
这就引出了“线路”是否存在某种普遍性——即是否存在一些神经元总是连接在一起，或者“硬连线”？
MM：大脑组织确实存在相似之处，了解这些相似性如何与功能相关联将令人兴奋。
果蝇大约有 10^5 个神经元，而小鼠大脑大约有 10^8 个神经元。神经元之间的连接数量与神经元数量相比如何缩放？小鼠大脑的神经元连接数量是果蝇的 1000 倍，还是更多？
Gregory Jeffris：实际上，每个神经元的突触数量可能相差不超过 10 倍，这可能部分是因为果蝇的突触比哺乳动物的突触小，以及它们的[多聚性]。在果蝇连接组中，两个神经元之间也可能有更多的个体突触（两个神经元之间的冠军连接包含数千个个体突触）。
最后，您能否详细介绍一下拥有如此详细的果蝇大脑图谱将如何促进进一步的研究？
PS：是的，绝对可以。这个大脑图谱建立了一个基线，未来的实验连接组可以与之进行比较。例如，可以训练一只果蝇厌恶一种本来对它有吸引力的气味，然后绘制出该果蝇大脑的图谱，并将其与 FlyWire 进行比较，以了解神经回路层面发生了什么变化。虽然脑电图（EEG）在果蝇身上不起作用（太小了），但将连接组与其他模态（如钙成像或电生理记录）叠加是许多研究小组正在积极进行的工作。
