这一成果为科学家提供了一种新方法，以研究大脑和身体如何协同工作产生复杂动作，包括行走和飞行。它也为更广泛地研究支配神经系统的核心规则打开了大门。
“我们第一次能够将所有神经元及其连接作为一个完整的单元来观察，并提问：‘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·马丁教授雷切尔·威尔逊说道。
首张完整的果蝇大脑与身体神经连接图谱
这张新的神经连接图谱被称为连接组，它在之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部分，即神经索。
“拥有尽可能完整的中枢神经系统连接组非常重要，这样我们才能将大脑和身体联系起来，开始从整体上思考行为，”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神经病学教授李伟中说道。
当团队研究该连接组时，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指导的，而不是由大脑中的某个中央指挥区域控制的。
完整的连接组现在可在网上免费获取，为世界各地的研究人员进行神经科学研究提供了强大的新资源。这项工作发表于6月8日的《自然》杂志，部分得到了美JianCe邦资金的资助，包括BRAIN计划（通过推动创新神经技术进行大脑研究）、美国国立卫生研究院和美国国家科学基金会。
果蝇在神经科学中的重要性
神经科学中一个主要的未解之谜是大脑和身体中的神经元如何连接和协调以产生行为。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，但它们仍能执行复杂的行为，如导航、社交互动、学习和对感觉信号做出反应。它们还拥有李教授所描述的一套极其复杂的遗传工具箱，使科学家能够访问、控制和记录单个神经元或神经元群的活动。
2024年，由普林斯顿大学的Mala Murthy和Sebastian Seung领导的FlyWire联盟（他们也是这项新研究的共同作者）发表了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，该结构控制腿部、翅膀和其他附肢，同时也处理感觉信息。
“大脑和神经索连接组各自都有其用处，但在能够将两者连接起来之前，很难理解信息是如何在大脑和身体之间传递的，”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。
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，大脑拥有大部分神经元，但神经索包含的神经元是“最有用的部分”之一，因为它们与感觉、运动以及通常更容易解释的功能相关。
连接大脑与神经索
共同资深作者、普林斯顿大学神经科学Karol和Marnie Marcin '96教授及普林斯顿神经科学研究所（PNI）所长Murthy表示，FlyWire团队渴望转向在李教授实验室成像的大脑和神经索（BANC）数据集。
“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中的回路如何接收反馈并控制身体的动作，”她说。
“这是第一次，我们能够在整个神经系统中追踪从感觉到行动的信息流，”PNI的共同作者Arie Matsliah补充道。
科学家如何构建连接组
为了创建连接组，研究人员将一只果蝇切成数千张极薄的连续切片。然后，他们利用电子显微镜捕获了数百万张显示神经元及其连接的图像。人工智能工具帮助对齐这些图像，并将它们组装成一个统一的3D地图。
完成的连接组展示了每个神经元如何在单个突触水平上与大脑和神经索中的其他神经元连接。该图谱并未覆盖果蝇的整个身体，但研究人员利用可识别的神经元和先前的科学文献，将中枢神经系统神经元与许多附肢和感觉器官中的神经元联系起来，有效地使连接组“具身化”。
李教授说，科学家可以利用连接组为实验室实验提出新的假设。他将其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，我们的大多数假设都太简单了。现在，我们可以提出更复杂的假设，并通过实验来验证它们，”李教授说。
关于运动控制方式的意外发现
研究人员已经利用连接组研究了运动控制，特别是果蝇如何移动其腿部和其他身体部位。
神经科学中长期存在的一种观点认为，大脑充当中央控制器，决定动物将执行哪些动作。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该腿的神经回路控制。这些回路随后与其他腿的回路通信，以产生协调的动作，如行走。
同样的模式也出现在与果蝇翅膀、口器和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中的回路，这些回路提供有助于塑造行为的额外信息。
“我们的研究结果表明，动作的控制高度分布在局部模块中，这些模块以不同的方式连接并协同工作，”贝茨说。
连接组研究的未来展望
研究人员表示，连接组可以支持许多未来的研究方向。杨将其比作人类基因组计划，这是另一个以多种不同方式被使用的大规模开放资源。
很快，团队计划向连接组添加更多信息，包括关于神经肽的细节，神经肽是神经元用来通信的小型蛋白质样分子。
连接组还可能揭示适用于包括人类在内的各物种神经系统的基本原理。贝茨说，果蝇神经科学的许多发现已从无脊椎动物延伸到哺乳动物，包括与导航、嗅觉和记忆相关的发现。
另一个目标是“将全连接组图谱绘制扩展到更复杂的生物体，”Matsliah说。他指出，人工智能、计算和开放协作科学的进步正使这类研究变得越来越可行。
目前的一个主要问题是，在果蝇中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研究这种可能性。
“如果这是果蝇独有的，我会感到震惊，”杨说。“我们在其他动物中没有这种分辨率水平，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，可能有助于指导在虚拟世界中移动的人工智能代理的设计，这些系统正越来越多地用于研究智能和改进AI训练。
“有一件事总是让我感到惊讶，这只小苍蝇能做非常多的事情；即使是我们最好的AI代理和机器人也无法做到苍蝇所做的一切，”杨说。“神经系统的组织方式可能为AI提供借鉴。”
作者、资助、披露
Jasper S. Phelps和Minsu Kim也是该研究的共同第一作者。Jan Drugowitsch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.
资助由美国国立卫生研究院（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/麻省理工学院联合研究基金、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）、美国国家科学基金会（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高性能计算集群对这项工作的支持。
哈佛大学代表包括W. Lee在内的发明人提交了GridTape的专利申请（WO2017184621A1），并与感兴趣的合作伙伴协商许可协议。Macrina, Popovych, Kemnitz, Ih, K. Lee, Lu, Halageri, Bae, 和 Seung声明在Zetta AI中拥有财务利益。Seung声明在Memazing, Inc.中拥有财务利益。Capdevila, Roberts, Langley, Munnelly, Griggs, 和 Moya-Llamas声明在Aelysia Ltd.中拥有财务利益。Perlman是Yikes LLC的负责人。