果蠅大腦全圖：揭開神經連接的奧秘

為什麼狗能記住人類的指令？為什麼同樣的捕鼠方式第二次就不好用了？為什麼我們能學習新技能、做出複雜決策？這些現象的答案都可以歸功於大腦的存在。大腦不僅接收來自身體的感官信息，還能儲存這些信息，並在未來的決策中加以運用。這一切的背後，是由數十億個神經元之間的複雜連接和互動決定的。神經元之間的連接方式，就像一張精密的電路圖，決定了信息如何在大腦中流動，並最終形成我們的思考和行為模式。這樣的連接圖，科學家們稱之為「連接組」。

神經元連接的模式對於理解大腦的運作至關重要。不同的神經元網絡掌控著記憶、學習、情感反應等各種功能。而要解開這些網絡的奧秘，首要任務是繪製出完整的大腦連接圖。對於人類這樣的複雜生物來說，大腦擁有超過800億個神經元和100萬億個突觸，這讓我們的神經系統研究變得異常艱難。然而，果蠅（Drosophila melanogaster）的大腦雖然只有約10萬個神經元，但它依然能執行許多與人類相似的複雜行為，例如導航、學習、決策，甚至社交互動。因此，研究果蠅大腦的神經連接圖，為我們提供了一個縮小版的窗口，能夠揭示神經元之間的連接模式如何塑造行為。

Dorkenwald與Schlegel等人的研究團隊在今年首次完成了成年果蠅大腦的完整連接組圖譜，這是迄今為止最詳細的神經連接組。這張圖譜由約140,000個神經元和超過5,450萬個突觸組成，這些突觸是神經細胞之間的連接點。這不僅是果蠅神經科學的重大進展，也是神經科學領域迄今為止最大的連接組。過去，研究人員只能一次分析某一部分神經元，無法獲取完整的大腦視圖；而現在，連接組的全貌可以清晰展現每個神經元的精確連接方式，並提供大腦迴路的全局結構。

完成這樣一個完整的連接組並非易事。要製作出這張圖，研究團隊需要對果蠅大腦的每一部分進行電子顯微鏡成像，並以納米級的解析度對其進行處理。這需要生成數百萬張圖像，然後對齊、拼接並分析，最後重建每個神經元和突觸的三維形狀和位置。這樣的技術在幾年前還不存在，然而FlyWire團隊利用最新的成像技術和機器學習算法，克服了這些挑戰。他們還建立了一個國際志願者網絡，通過眾包的方式來校對神經元重建。這一龐大的工作量相當於33年的全職工作，但由於技術創新和團隊合作，最終在短短幾年內完成。

在此之前，最完整的果蠅大腦連接組是2020年發表的“半腦”（hemibrain）圖譜，該圖譜包含約25,000個神經元，覆蓋了部分果蠅大腦結構。相比之下，FlyWire圖譜的完整性顯著提高，並展示了更多細節。例如，FlyWire圖譜中的蘑菇體（與嗅覺相關的大腦結構）擁有幾乎兩倍於半腦圖譜中的神經元數量。這一差異可能源於半腦研究中使用的果蠅在成長過程中可能經歷了飢餓，這影響了其大腦的發育。FlyWire圖譜的另一個重要突破在於，它不僅展示了神經元之間的化學突觸連接，還提供了興奮性和抑制性突觸的資訊，這有助於更好地理解神經信號的傳遞方式。

完整的果蠅連接組不僅是一個神經科學研究的里程碑，還為未來的研究開闢了新的方向。現在，研究人員可以通過FlyWire的線上平台隨時查閱這些數據，通過簡單的點擊操作來追蹤神經元的連接性，而不再需要進行繁瑣的解剖實驗。這將大大加快神經迴路的研究進程。此外，研究人員可以基於連接組數據構建更準確的大腦功能模型，這將使我們更好地理解如何從神經結構推測出行為和感知的機制。雖然該連接組存在一些局限，例如它來自單一果蠅並且只展示了突觸連接，但隨著技術進步和更多連接組的出現，這些限制將逐步被克服。

果蠅大腦連接組的完整圖譜為神經科學開啟了新的篇章。無論是在技術突破、數據規模，還是在研究應用方面，這項研究都代表著神經科學的前沿。隨著技術的進一步發展，我們有理由期待更大規模、更精確的神經連接組研究，這不僅限於果蠅，還將擴展到更複雜的生物體中，最終幫助我們解開大腦運作的謎團。

使用chatGPT協助撰寫

撰文：廖晨絜

Resource:

1. Anita V. Devineni, A complete wiring diagram of the fruit-fly brain, 2024.10.02, https://www.nature.com/articles/d41586-024-03029-6

2. Sara Reardon, Largest brain map ever reveals fruit fly’s neurons in exquisite detail, 2024.10.02, https://www.nature.com/articles/d41586-024-03190-y

3. Dorkenwald, S., Matsliah, A., Sterling, A.R. et al. Neuronal wiring diagram of an adult brain. Nature 634, 124–138 (2024). https://doi.org/10.1038/s41586-024-07558-y