果蠅大腦圖譜的發展近況

果蠅是研究我們人類大腦的一個好的借鑑(模式生物)，具備相似的分子機制也同樣能夠在空間導航、辨別氣味、甚至學習並產生記憶。然而這些功能是如何實現的呢？一派科學家們認為我們應該要先了解神經元是如何連結的，描繪出神經迴路(neural circuitry)後我們才能更加了解功能是如何產生的。來自Princeton University的Sebastian Seung教授便提出” I am my connectome”的名言。

果蠅大腦圖譜或者稱連結體(connectome)的描繪是當代神經科學的突破，成果包含螢光成像蒐集的果蠅神經元影像(FlyCircuit)、x-ray成像、電子顯微鏡(FAFB、FlyEM)等，各自蒐集了幾萬顆的神經元。2010年清華大學江安世教授發表了第一個果蠅大腦神經元影像資料庫FlyCircuit[1]，2012年Janelia Farm Research Campus發表了Virtual Fly Brain網頁和搭配的資料庫[2]，2018年由Janelia發表了第一個由穿透式電子顯微鏡所取像的果蠅全腦(4 x 4 x 40 nm3)[3]，然而由於仰賴大量人工手動標示，因此分析不容易。接者在2020年由Janelia發表的FlyEM被視為一個很重要的突破，他們和Google的DeepMind合作，以最新的artificial neural network (Flood-filling network, FFN)將解析度高達8 x 8 x 8 nm3的半個中央腦區(hemibrain, 註1)的神經元、神經連結等以自動化的程式描繪出來[4-5]，並將結果以neuprint網站等釋出給其他科研團隊與大眾[6]。

今年由於hemibrain的數據開放，果蠅腦科學的各個研究團隊加入分析這批數據，研究進展非常迅速，Janelia為果蠅腦科學貢獻了一個重要的基石。然而電顯取像速度和分析速度一直較光學不足，大腦結構會因為學習、睡眠、疾病等而改變，電顯提供了一個基礎藍圖，但即便是遠小於人腦的果蠅，要能夠更深入了解果蠅的生理週期、學習記憶、決策等，還有待大家一起努力。

註1:

儘管Janelia宣稱為半腦，但實際上果蠅有12萬顆左右的神經元，而database中僅含有約2萬顆神經元，且資料僅含蓋偏中央的腦區。另部分神經元由於超出解析範圍，因此只有神經元的部分分支在資料庫內。

圖一、FlyCircuit資料庫所提供的神經元

圖二、Neuprint所提供的網頁，電顯圖的部分是使用webgl開發的neuroglancer介面。

撰稿人：強敬哲


參考資料：

1. Chiang, A. S., Lin, C. Y., Chuang, C. C., Chang, H. M., Hsieh, C. H., Yeh, C. W., ... & Wu, C. C. (2011). Three-dimensional reconstruction of brain-wide wiring networks in Drosophila at single-cell resolution. Current biology, 21(1), 1-11.

2. Milyaev, N., Osumi-Sutherland, D., Reeve, S., Burton, N., Baldock, R. A. and Armstrong, J. D. (2012). The Virtual Fly Brain browser and query interface. Bioinformatics 28, 411-5.

3. Zheng, Z., Lauritzen, J. S., Perlman, E., Robinson, C. G., Nichols, M., Milkie, D., ... & Calle-Schuler, S. A. (2018). A complete electron microscopy volume of the brain of adult Drosophila melanogaster. Cell, 174(3), 730-743.

4. Li, P. H., Lindsey, L. F., Januszewski, M., Tyka, M., Maitin-Shepard, J., Blakely, T., & Jain, V. (2019). Automated reconstruction of a serial-section EM Drosophila brain with flood-filling networks and local realignment. Microscopy and Microanalysis, 25(S2), 1364-1365.

5. Scheffer, L. K., Xu, C. S., Januszewski, M., Lu, Z., Takemura, S. Y., Hayworth, K. J., ... & Clements, J. (2020). A Connectome and Analysis of the Adult Drosophila Central Brain. eLife.

6. Clements, J., Dolafi, T., Umayam, L., Neubarth, N. L., Berg, S., Scheffer, L. K., & Plaza, S. M. (2020). neuprint: Analysis tools for em connectomics. BioRxiv.