这一成就为科学家提供了一种新途径，用于考察大脑和身体如何协同工作以产生包括行走和飞行在内的复杂动作。它也为更广泛地研究支配神经系统的核心法则开启了大门。
“我们第一次能够将所有神经元及其连接视为一个完整的单元，并以此发问：‘我们能从中了解到什么？’”该研究的共同资深作者、哈佛医学院布拉瓦特尼克研究所神经生物学领域基础研究约瑟夫·B·马丁讲席教授雷切尔·威尔逊说道。
首个完整的果蝇大脑与身体连接图谱
这一新的神经连接图谱被称为连接组，它在此前发表的果蝇大脑连接组基础上进行了扩展，增加了果蝇相当于脊髓的结构——神经索。
“拥有一个尽可能完整的中枢神经系统连接组至关重要，这样我们才能将大脑与身体联系起来，并开始从整体层面思考行为问题，”该研究的共同资深作者、哈佛医学院神经生物学副教授及波士顿儿童医院哈佛医学院神经病学教授李伟中说。
当研究团队分析该连接组时，他们发现果蝇的许多行为似乎是由相关身体部位的局部神经回路主导的，而非由大脑中的某个中央指挥区域控制。
完整的连接组现已在线免费开放，为全球研究人员提供了一个强有力的神经科学研究新资源。这项工作于6月8日发表在《自然》杂志上，部分得到了美JianCe邦资金的资助，包括BRAIN计划（通过推进创新神经技术进行大脑研究）、国立卫生研究院和国家科学基金会。
果蝇在神经科学中的重要性
神经科学领域一个主要的未解之谜是，大脑和身体中的神经元如何连接并协调以产生行为。黑腹果蝇是探索这一问题的宝贵模型。
果蝇易于在实验室中繁殖和饲养。尽管它们的神经系统仅包含约16万个神经元，但仍能执行导航、社交互动、学习以及对感觉信号做出反应等复杂行为。此外，它们还拥有李教授所描述的一套极其精密的遗传工具箱，使科学家能够对单个神经元或神经元群进行访问、控制和记录活动。
2024年，由普林斯顿大学的玛拉·默西和塞巴斯蒂安·承领导的FlyWire联盟（他们也是这项新研究的共同作者）发布了一份完整的果蝇大脑连接组。与此同时，李教授及其同事正在构建果蝇神经索的连接组，该结构负责控制腿部、翅膀和其他附肢，并处理感觉信息。
“大脑和神经索连接组各自具有独立价值，但若不能将两者打通，就很难理解信息是如何在大脑和身体之间传递的，”该研究的共同第一作者、威尔逊实验室神经生物学研究员海伦·杨说道。
另一位共同第一作者、威尔逊实验室神经生物学研究员亚历山大·贝茨指出，虽然大脑容纳了大部分神经元，但神经索中包含的神经元属于“最有用的神经元”之列，因为它们与感觉、运动以及通常更易于解读的功能相关联。
连接大脑与神经索
FlyWire团队迫切希望转向李实验室成像的大脑与神经索（BANC）数据集，该研究的共同资深作者默西表示。她是普林斯顿大学Karol和Marnie Marcin 96届神经科学讲席教授，也是普林斯顿神经科学研究所（PNI）所长。
她表示：“新的连接组代表了该领域的重大进步，使我们能够理解大脑回路如何接收反馈并控制身体动作。”
“这是首次我们能够追踪贯穿整个神经系统的从感觉到行动的信息流，”PNI的共同作者阿里·马茨利亚补充道。
科学家如何构建连接组
为了创建连接组，研究人员将单只果蝇切成数千张极薄的连续切片。随后，他们利用电子显微镜捕获了数百万张展示神经元及其连接的图像。人工智能工具协助对这些图像进行了配准，并将其组装成一张统一的3D图谱。
完成的连接组展示了每个神经元如何在单个突触层面上与大脑和神经索中的其他神经元相连。该图谱未覆盖果蝇全身，但研究人员利用可识别的神经元和既往科学文献，将中枢神经系统神经元与许多附肢及感觉器官中的神经元联系起来，从而有效地实现了连接组的“具身化”。
李教授表示，科学家可以利用该连接组为实验室实验提出新的假设。他将此比作在规划路线时拥有详细的谷歌地图信息。
“连接组向我们表明，我们之前的大部分假设都过于简单。现在，我们可以提出更复杂的假设，并通过实验加以验证，”李教授说。
关于运动控制方式的惊人发现
研究人员已利用该连接组研究了运动控制，特别是果蝇如何移动其腿部及其他身体部位。
神经科学领域长期以来的观点认为，大脑充当中央控制器，决定动物将执行何种动作。而果蝇连接组指向了一个不同的答案。
研究团队发现，果蝇的运动控制主要在局部发生。例如，一条腿的运动主要由支配该腿的神经回路控制。这些回路随后与其他腿部的回路进行通讯，以产生行走等协调动作。
同样的模式也出现在与果蝇翅膀、口器及其他身体部位相关的回路中。研究人员还发现，运动回路与其他类型的回路相连，包括视觉和内分泌系统回路，这些回路提供的额外信息有助于塑造行为。
贝茨表示：“我们的研究结果表明，动作控制高度分布在局部模块中，这些模块以不同方式连接并协同工作。”
连接组研究的未来展望
研究人员表示，该连接组可为许多未来的研究方向提供支持。杨将其比作人类基因组计划，后者作为一项大规模开放资源，已被以多种不同方式加以利用。
团队计划不久后向连接组补充更多信息，包括神经肽的详细信息，这是一类神经元用于通讯的微小类蛋白分子。
该连接组还可能揭示适用于包括人类在内的跨物种神经系统的基本原理。贝茨指出，果蝇神经科学的许多发现已从无脊椎动物延伸至哺乳动物，包括与导航、嗅觉和记忆相关的成果。
马茨利亚表示，另一个目标是“将全连接组图谱测绘应用于更复杂的生物体”。他指出，人工智能、计算技术和开放协作科学的进步正使这类研究变得日益可行。
目前的一个主要问题是，在果蝇身上观察到的分布式神经控制是否也存在于其他动物中。李教授目前正在小鼠身上探索这一可能性。
“如果这种现象是果蝇独有的，我会感到非常惊讶，”杨说，“虽然我们在其他动物中尚未达到这种分辨率水平，但我们知道它们拥有许多这样的局部回路。”
对人工智能的启示
这项工作可能对人工智能产生影响。连接组提供了真实的生物学数据，有助于指导在虚拟世界中移动的人工智能体的设计，这类系统正日益被用于研究智能并改进AI训练。
“总有一件事让我惊叹，那就是这只小小的果蝇能完成极其繁多的任务；即便是我们最优秀的AI智能体和机器人，也无法做到果蝇所能做的一切，”杨说道，“神经系统的组织方式或许能为AI带来启示。”
作者、资助与披露事项
贾斯珀·S·菲尔普斯和金敏秀也是该研究的共同第一作者。扬·德鲁戈维茨是共同资深作者。其他作者包括 Zaki Ajabi, Eric Perlman, Kevin M. Delgado, Mohammed Abdal Monium Osman, Christopher K. Salmon, Jay Gager, Benjamin Silverman, Sophia Renauld, Farzaan Salman, Janki Patel, Matthew F. Collie, Jingxuan Fan, Diego A. Pacheco, Yunzhi Zhao, Wenyi Zhang, Laia Serratosa Capdevila, Ruairí J.V. Roberts, Eva J. Munnelly, Nina Griggs, Helen Langley, Borja Moya-Llamas, Zuoyu Zhang, Ryan T. Maloney, Szi-chieh Yu, Amy R. Sterling, Marissa Sorek, Krzysztof Kruk, Nikitas Serafetinidis, Serene Dhawan, Finja Klemm, Paul Brooks, Ellen Lesser, Jessica M. Jones, Sara E. Pierce-Lundgren, Su-Yee Lee, Yichen Luo, Andrew P. Cook, Theresa H. McKim, Dimitrios Stasi Giakoumas, Benjamin Gorko, Emily C. Kophs, Tjalda Falt, Alexa M. Negron-Morales, Austin Burke, James Hebditch, Kyle P. Willie, Ryan Willie, Sergiy Popovych, Nico Kemnitz, Dodam Ih, Kisuk Lee, Ran Lu, Akhilesh Halageri, J. Alexander Bae, Ben Jourdan, Gregory Schwartzman, Damian D. Demarest, Emily Behnke, Doug Bland, Anne Kristiansen, Jaime Skelton, Tom Stocks, Dustin Garner, Anthony Hernandez, Sandeep Kumar, The BANC-FlyWire Consortium, Kevin C. Daly, Sven Dorkenwald, Forrest Collman, Marie P. Suver, Lisa M. Fenk, Michael J. Pankratz, Zepeng Yao, Stephen J. Huston, Tomke Stürner, Gregory S.X.E. Jefferis, Katharina Eichler, Andrew M. Seeds, Stefanie Hampel, Sweta Agrawal, Tatsuo S. Okubo, Meet Zandawala, Thomas Macrina, Diane-Yayra Adjavon, Jan Funke, John C. Tuthill, Anthony Azevedo, and Benjamin L. de Bivort。
资金由国立卫生研究院（资助号 R01NS121874; RF1MH117808; U19NS118246; U24NS126935; RF1MH117815; K99NS129759; R00NS117657; R01NS102333; RF1NS128785; R01NS140174; UM1NS132253; U24NS13992; RF1MH128840; R01NS121911; T32GM144273; R01DK139131; R25NS080687）、亨利·威康爵士博士后奖学金 (222782/Z/21/Z)、史密斯家族基金会奥德赛奖、哈佛/麻省理工联合研究基金、霍华德·休斯医学研究所生命科学研究基金会博士后奖学金 (PJ100000343)、纽约干细胞基金会罗伯逊神经科学研究者奖、德国科学基金会 (ZA1296/1-1; EXC2151-390873048; PA787/7-3; PA787/9-3)、内华达生物医学研究卓越思想网络 (GM103440)、国家科学基金会 (2127379; 2014862)、日本学术振兴会 (KAKENHI 25K00370)、日本科学技术振兴机构 (ASPIRE JPMJAP2302; CRONOS JPMJCS24K2)、霍华德·休斯医学研究所吉利安奖学金 (GT15790)、马克斯·普朗克学会、沙纳汉家族基金会、肯普纳研究生奖学金、医学研究委员会 (MC_EX_MR/T046279/1)、爱丽丝和约瑟夫·布鲁克斯基金以及北京市自然科学基金 (IS23084) 提供。作者还感谢哈佛医学院研究计算小组支持的 O2 高性能计算集群对本研究提供的帮助。
哈佛大学代表包括 W. Lee 在内的发明人提交了 GridTape (WO2017184621A1) 的专利申请，并与相关合作伙伴协商了许可协议。Macrina, Popovych, Kemnitz, Ih, K. Lee, Lu, Halageri, Bae 和 Seung 声明在 Zetta AI 拥有经济利益。Seung 声明在 Memazing, Inc. 拥有经济利益。Capdevila, Roberts, Langley, Munnelly, Griggs 和 Moya-Llamas 声明在 Aelysia Ltd. 拥有经济利益。Perlman 是 Yikes LLC 的负责人。