迄今為止最全昆蟲(chóng)大腦圖譜，可能激發(fā)新的機器學(xué)習架構

由約翰斯·霍普金斯大學(xué)和劍橋大學(xué)領(lǐng)導的國際團隊制作了一張驚人的詳細圖譜，描繪了果蠅幼蟲(chóng)大腦中的每一個(gè)神經(jīng)連接，這是一個(gè)與人類(lèi)大腦相當的原型科學(xué)模型。該研究可能會(huì )支持未來(lái)的大腦研究并激發(fā)新的機器學(xué)習架構。該研究以「The connectome of an insect brain」為題，于 2023 年 3 月 10 日發(fā)布在《Science》上。論文鏈接：https://www.science.org/doi/10.1126/science.add9330「如果我們想了解我們是誰(shuí)，以及我們如何思考，其中一部分就是了解思維機制，」該研究的主要作者、約翰斯·霍普金斯大學(xué)生物醫學(xué)工程師 Joshua T. Vogelstein 說(shuō)，專(zhuān)門(mén)從事數據驅動(dòng)項目，包括神經(jīng)系統連接的研究?！钙渲械年P(guān)鍵是知道神經(jīng)元是如何相互連接的?！?/span>繪制大腦圖譜的首次嘗試——從 20 世紀 70 年代開(kāi)始對蛔蟲(chóng)進(jìn)行了長(cháng)達 14 年的研究，繪制出了部分大腦圖譜，并獲得了諾貝爾獎。從那時(shí)起，部分連接體已被映射到許多系統中，包括果蠅、小鼠，甚至人類(lèi)，但這些重建通常只代表整個(gè)大腦的一小部分。綜合連接體僅針對體內有幾百到幾千個(gè)神經(jīng)元的幾種小物種生成——蛔蟲(chóng)、幼蟲(chóng)海鞘和幼蟲(chóng)海洋環(huán)節動(dòng)物蠕蟲(chóng)。該團隊的果蠅幼蟲(chóng) Drosophila melanogaster 幼蟲(chóng)的連接組是迄今為止完成的最完整、最廣泛的整個(gè)昆蟲(chóng)大腦圖譜。它包括 3,016 個(gè)神經(jīng)元以及它們之間的每個(gè)連接：548,000 個(gè)。「已經(jīng) 50 年了，這是第一個(gè)大腦連接組。這是我們可以做到的一面旗幟，」Vogelstein 說(shuō)?！敢磺卸荚跒榇伺??！?/span>即使使用最好的現代技術(shù)，繪制整個(gè)大腦也很困難且極其耗時(shí)。獲得大腦的完整細胞水平圖片需要將大腦切成數百或數千個(gè)單獨的組織樣本，所有這些樣本都必須用電子顯微鏡成像，然后才能艱苦地將所有這些碎片一個(gè)神經(jīng)元一個(gè)神經(jīng)元地重建成完整、準確的大腦肖像。用小果蠅做這件事花了十多年的時(shí)間。據估計，老鼠的大腦比幼果蠅的大腦大一百萬(wàn)倍，這意味著(zhù)在不久的將來(lái)，繪制任何接近人腦的東西的可能性不大，甚至在我們有生之年也不可能。昆蟲(chóng)大腦中的完整神經(jīng)元集，使用突觸分辨率電子顯微鏡重建。該團隊特意選擇了果蠅幼蟲(chóng)，因為對于昆蟲(chóng)而言，該物種與人類(lèi)共享許多基本生物學(xué)特性，包括相似的遺傳基礎。它還具有豐富的學(xué)習和決策行為，使其成為神經(jīng)科學(xué)中有用的模型生物。并且出于實(shí)用目的，可以在合理的時(shí)間范圍內對其相對緊湊的大腦進(jìn)行成像并重建其回路。即便如此，這項工作還是花了劍橋大學(xué)和約翰斯·霍普金斯大學(xué) 12 年的時(shí)間。每個(gè)神經(jīng)元僅成像一項就需要大約一天的時(shí)間。劍橋研究人員創(chuàng )建了大腦的高分辨率圖像，并手動(dòng)研究它們以找到單個(gè)神經(jīng)元，嚴格追蹤每個(gè)神經(jīng)元并將它們的突觸連接聯(lián)系起來(lái)。劍橋大學(xué)將數據交給了約翰斯·霍普金斯大學(xué)，在那里，該團隊花了三年多的時(shí)間使用他們創(chuàng )建的原始代碼來(lái)分析大腦的連接性。約翰斯·霍普金斯大學(xué)團隊開(kāi)發(fā)了一種技術(shù)，可以根據共享的連接模式找到神經(jīng)元群，然后分析信息如何在大腦中傳播。最后，整個(gè)團隊繪制了每個(gè)神經(jīng)元和每個(gè)連接的圖表，并根據每個(gè)神經(jīng)元在大腦中的作用對其進(jìn)行了分類(lèi)。他們發(fā)現大腦最繁忙的回路是那些通向和遠離學(xué)習中心神經(jīng)元的回路。約翰斯·霍普金斯大學(xué)開(kāi)發(fā)的方法適用于任何大腦連接項目，他們的代碼可供任何試圖繪制更大動(dòng)物大腦圖譜的人使用，Vogelstein 說(shuō)，并補充說(shuō)盡管存在挑戰，但科學(xué)家們有望在老鼠身上進(jìn)行研究，可能在下一個(gè)十年。其他團隊已經(jīng)在繪制成年果蠅大腦的地圖。共同第一作者、約翰斯·霍普金斯大學(xué)生物醫學(xué)工程博士生 Benjamin Pedigo 預計該團隊的代碼可以幫助揭示成年和幼蟲(chóng)大腦連接之間的重要比較。隨著(zhù)為更多的幼蟲(chóng)和其他相關(guān)物種生成連接體，Pedigo 預計他們的分析技術(shù)可以更好地理解大腦連接的變化。果蠅幼蟲(chóng)的工作展示了回路特征，這些特征讓人想起突出而強大的機器學(xué)習架構。該團隊預計繼續研究將揭示更多的計算原理，并可能激發(fā)新的人工智能系統。「我們對果蠅代碼的了解將對人類(lèi)代碼產(chǎn)生影響，」Vogelstein 說(shuō)?！高@就是我們想要了解的——如何編寫(xiě)一個(gè)通向人腦網(wǎng)絡(luò )的程序?！?/span>參考內容：https://medicalxpress.com/news/2023-03-scientists-insect-brain.html