对于多数人类而言，果蝇的幼虫，或者说，“蛆”，蠕动着白色、米粒状、几毫米长的身躯，是最低端动物的代表，同时也恶心得很。但在蛆自己的世界中，它们的生活丰富而有趣，充满了感官输入、社会行为和学习过程。
你可能对此十分怀疑，没关系，Science刚刚发表一份关于果蝇幼虫大脑的地图，它足以勾勒蛆的独特神经世界。
果蝇幼虫大脑地图包括3016个神经元和神经元之间的54.8万个突触连接。科学家表示，这是有史以来最复杂、最完整的动物大脑图谱
“果蝇的大脑是怎么使果蝇成为果蝇的”
这款最新的神经连接组地图出自一个跨学科联合研究团队，他们完成了对果蝇幼虫大脑的完整重建和分析。全部3016个神经元中的每一个，以及在神经元之间运行的54.8万个突触中的每一个，都清晰呈现于神经地图上。（地图甚至还囊括了幼蝇的两个脑叶以及神经索。）
科学界首个相对完整的连接组是关于线虫（C. elegans）的，发表于1986年。当时科学家使用彩色笔手工绘制了连接，涉及302个神经元、7600个突触以及其他连接。
从那时起，脑连接组学作为神经科学的一个子领域，开始进展不断，领域内专家致力于描绘越来越复杂的生物体大脑。
新的果蝇幼虫脑地图囊括了大脑的两个脑叶和神经索
毫无疑问，一些重大进展极大提升了我们的认知，例如关于多种线虫大脑的完整地图。2018年，有团队发布了一份分辨率相对较低的成年果蝇大脑图，但缺乏详细的关联分析。
2020年，一份描绘成年果蝇中央大脑部分连接组的地图发布，囊括2.5万个神经元和2000万个神经连接。其创制者同样是个跨学科联合团队，成员来自谷歌研究部门和霍华德休斯医学研究所（HHMI）等单位。
到2021年，HHMI方面的研究成员又发表后续分析，并尝试揭示地图背后的原因和神经运作的方式。他们记录下感觉和运动通路以及其他复杂的动态，以求解释“果蝇的大脑是怎么使果蝇成为果蝇的”。
这是科学家首次以如此高分辨率对整个昆虫大脑进行成像和分析。他们得到了迄今为止构建得最完整的昆虫大脑图谱，也是最复杂的完整连接组。对于一些人来说，它代表了神经科学领域的范式转变。
“经典”生物，“非典”突触
果蝇是一种经典的模式生物，它的许多神经结构和通路被认为具有进化保守性，适用于它的规律可能也适用于其他昆虫、啮齿动物甚至人类。
果蝇的超清脑世界，以及新发表的果蝇幼虫神经图，比之过往任何成果，提供了更丰富信息——关于动物神经系统、神经通路和大脑结构的信息。此外，它们也有望为神经科学以外的工作（包括人工智能和发育生物学等领域）提供帮助。
美国托马斯杰斐逊大学神经科学家蒂莫西·莫斯卡（Timothy Mosca）表示，过去几十年，人们粗略绘制了动物大脑的一些元素，科学家大概知道运动神经元和感觉神经元聚集于哪里。
而谷歌和HHMI等团队创造的杰作好比是“将模糊的卫星视图变成清晰的城市街道地图”，“现在你能找到每一个罗森便利店和汉庭如家速8”。
剑桥大学和约翰霍普金斯大学的科学家都参与到了绘制果蝇幼虫连接组的工作中。剑桥方面团队花了12年时间专注于一只6小时大的雌性幼蝇大脑，该器官尺寸大约为170 x 160 x 70微米，肉眼难见。
不过他们能使用电子显微镜在视觉上将其切成数千片，切到只有纳米级厚度。给一个神经元成像的平均时间为一天，而当神经元的物理图谱完成，接下来就是分析了。
与约翰霍普金斯大学的计算机科学家帮助剑桥的神经科学家评估并分类神经元和突触。他们对计算机程序进行微调，以确定细胞和突触类型，并根据此前对行为和感觉系统的神经科学研究，将某些功能绘制到幼虫连接组上。
分析结果充满惊喜。
幼蝇脑图项目的主要成员、剑桥大学神经科学家迈克尔·温丁（Michael Winding）表示，果蝇幼虫的连接组显示出许多在脑半球之间曲折行进的神经通路，这证明了大脑两侧的整合程度以及信号处理的细微差别。“我从没想过会是那般形貌。”
在分析过程中，研究人员发现果蝇大脑半球之间的联系出乎意料地多且复杂
在某些脑区，突触呈现高度的递归（recursive）、重复（repetitive）和强化（reinforced）——尤其在被认为可驱动学习的脑区，它们甚至“非常漂亮”。这一形容来自另一位项目成员、剑桥神经生物学家玛尔塔·兹拉蒂奇（Marta Zlatic）。
根据兹拉蒂奇的说法，这些从真实大脑映射而来的递归结构似乎与某些AI模型（称为“残差神经网络”）的架构非常匹配，其嵌套路径允许不同级别的复杂性。
过去AI开发人员创建自然信息处理的人工代理时，曾对大脑结构的细节进行猜测。而现在温丁等人的成果，至少在一个小方面，证明那些猜测正确。值得一提的是，温丁称幼蝇大脑学习中心的布局类似“连通着的俄罗斯娃娃”（Russian doll of connectivity）。
此外，他们发现神经元本身似乎是“多面”（multi-faceted）的。兹拉蒂奇解释称，感觉细胞会发生“跨模式连接”，即视觉、嗅觉等感官输入在输出细胞的途中交叉并相互作用。
“蛆的大脑进行了大量多感官整合……从计算角度看，这太牛了。”
那么，细胞间神经连接的类型和相对数量，是怎么个情况呢？神经科学中经典的突触连接类型是从轴突延伸至树突。但温丁和兹拉蒂奇指出，在果蝇幼虫大脑里，此类经典只占总数的2/3左右，还有1/3是轴突到轴突、树突到树突、树突到轴突。
这1/3的非典型连接确实远远出乎科学家预料，用温丁的话说：“鉴于其‘势力’广大，我们推测它们对大脑计算来说一定很重要，不过不清楚具体怎么个重要法。”
上图展示了果蝇幼虫连接组网络。其中圆点代表神经元，线代表突触连接。沿着外围边界的那一圈是研究人员发现的许多不同神经元形态的一些例子
宏伟脑蓝图，奇妙连接组
当然了，新成果虽然填补了巨大的科研空白，有助于我们更广泛了解幼虫和成虫阶段之间的大脑发育以及动物脑结构，但也存在局限性。
一张关于果蝇的神经元和突触的超清图片，并不能告诉我们，神经系统在做什么，大脑如何随时间变化，不同个体的大脑有何差异……我们甚至都还没有数据用于比较果蝇大脑的性别差异。
相对而言，DNA是个静态的数据集，由生物体发育过程中的第一个细胞决定。引用另一位团队成员、网络科学家乔什·沃格尔斯坦（Josh Vogelstein）的表述，“神经连接组则无时无刻不在变化。而且对于神经连接组本身的定义，现在也无统一标准。”
可以这么说，沃格尔斯坦和同事的分析工作，或者说，他们这个神经绘图项目所用的方式方法，在很大程度上是主观的。
毫无疑问，科学家要开展更多工作以解答很多未知。
相较十多年前这方面研究刚起步之时，过去几年间，成像技术的进展使得收集脑容量数据成为可能。
此外，有了沃格尔斯坦等人开发的计算机程序，原本要耗时几年的分析工作，以后将缩减为几个月的数据纠错+几小时的数据处理它。
兹拉蒂奇计划以这份幼蝇连接组地图为起点，收集更多信息并进行比较，以期揭示内在结构与外在能力之间的关联，例如，飞得更快的鸟相较普通同类，大脑看起来有何不同？
温丁正组建自己的实验室，未来将致力于识别果蝇大脑中与社会行为相关的回路，并尝试操纵这些回路，观察行为变化。
另一些人希望继续研究啮齿动物大脑，它们更大更复杂，相关绘制工作可能需要年复一年的不懈努力。
果蝇幼虫的神经地图，标志着我们向真正理解甚至编码意识迈出重要一步，也展示了以计算机程序形式对复杂动物大脑进行逆向工程的可能性。
单凭一张大脑图谱当然不足以揭开生物感知的全部奥秘，我们无法只通过连接组就模拟有意识大脑，但它是模拟工作的核心且必要部分。
资料来源：
First Complete Map of a Fly Brain Has Uncanny Similarities to AI Neural Networks
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