「Nature」破譯大腦：追蹤15000個神經元繪製最詳細神經迴路圖

1新智元編譯

Marta Zlatic 所收藏的電影，可能世界上最乏味的。在她位於弗吉尼亞州阿什本的實驗室里，神經科學家們已經存儲了超過20000小時的黑白影片，拍攝的對象是果蠅幼蟲。這些被拍攝的幼蟲做的是最單調的事情，例如扭動和爬行，但這些影片可以幫助回答現代神經科學中最大的問題之一：大腦的「迴路」如何創造行為。

這是神經科學領域的一個主要目標：了解神經元是如何連接，信號是如何通過網路傳播，以及這些信號是如何協同工作，為動物進行方嚮導航、做決策，或讓人類得以表達情感，創造意識。

在最單調的情況下——有普通的照明，沒有感官線索，它們也不感到飢餓」——Zlatic 說，這些果蠅幼蟲可以做30個不同的動作，包括收縮，轉頭，滾動等。產生這些動作的是它們僅有15000個神經元的大腦。這與人腦的860億神經元相比簡直是毛毛雨，這也是 Zlatic 和她的隊友喜歡這種幼蟲的原因之一。

「目前來說，果蠅幼蟲是最好的研究對象。」Zlatic 的合作研究者，同時也是她的丈夫的 Albert Cardona 說：「如果可以得到大腦神經元的接線圖，對於了解中樞神經系統如何工作是很好的起點。」

Zlatic 和 Cardona 領導著分布在世界各地的數十個組織中的兩個，這些組織正在為模型生物（model organisms）的大腦生成詳細的接線圖。在過去幾年裡，用於切割大腦和跟蹤其關係的新工具和技術已經取得進展。並且所得到的神經網路圖令人驚喜——例如，大腦可以以多種方式使用一個網路來創建相同的行為。

但是，即使想了解最簡單的迴路（比 Zlatic 的幼蟲更小數量級），也會面臨許多挑戰。不同動物的神經迴路的布局和功能都不同。這些系統非常冗餘，難以說某一迴路具有某一功能。此外，單獨的線路也不能完全解釋這些迴路如何產生行為; 必須考慮其他因素，例如神經化學物質。

科學家們開始檢測可能在更複雜的大腦中運行的簡單迴路的模式。「這就是我們希望得到的，」馬薩諸塞州波士頓哈佛醫學院神經科學家 Willie Tobin 說：「發現一般原則可以幫助我們理解更大的系統。」

大腦迴路的訓練：被切為兩半的大腦不盡相同，但功能不變

科學家擁有完整迴路圖的最簡單的大腦是線蟲蠕蟲（Caenorhabditis elegans）, 其僅僅擁有300個神經元。它的連接體（connectome），也就是每一個神經連接的地圖，在20世紀80年代繪製完成了。但是仔細觀察那些指導行動的連接是困難的。一些神經科學家對蠕蟲大腦與更大的腦結構擁有相同的工作方式表示懷疑。

這就是為什麼許多像Zlatic一樣的人，轉向依靠生物實驗室的另一個無脊椎動物——果蠅進行研究。果蠅幼蟲足夠複雜，可以展示出一些有趣的行為，但是因為它的神經元足夠少，使得繪製果蠅大腦迴路項目成為可行。此外，Zlatic和她的同事還有一套技術，如光遺傳學，其中光敏蛋白質可用於控制或監測神經元的活動。

Zlatic和Cardona正在開發用於收集果蠅幼蟲大腦高解析度橫截面圖像的方法，並且將從段到節地追蹤所有連接的艱巨過程自動化。然後，通過在」地圖」上，匹配行為和活動模式，團隊可以找出哪些迴路影響了哪些行為。

例如，一個難題就是大腦在兩個競爭行為之間如何選擇。去年， Cardona, Zlatic和他們的團隊跟蹤迴路，讓蛆在面對一陣煩人的空氣，在縮頭或彎曲身體之間選擇（同一動物，吹氣兩次，可能會先選擇彎曲身體，然後第二次選擇縮頭）。團隊確定了他們認為哪些神經元會對空氣產生反應，並使用光遺傳學依次激活它們。它們可以觀察在縮頭時的迴路情況。然後，他們構建了一種計算模型，可以預測幼蟲在某些特定情形下的反應。

許多實驗室也在研究成年果蠅連接體。因為整個大腦有135,000個神經元，太大，所以不能整體重建，科學家正在尋找較小的神經系統，在那裡他們可以一起學習迴路和活動。

例如，Tobin 對果蠅的大腦的一系列研究有助於處理氣味，即一種稱為嗅球（olfactory glomerulus）的電路。果蠅的大腦具有50個這樣的小球，每個在一個不超過20微米的區域中承載幾十個神經元，並且每個分開一半以從果蠅的左右「天線」接收信號。Tobin 5月的最新研究中，他和他的團隊 研究了這樣的一個小球，細細切片並用電子顯微鏡重建了所有50個特定類型神經元的布局，其中包括與之連接的其他神經元，以及連接的強度。比較被切開的兩個部分，研究者發現即使迴路的功能不變，細胞數量和連接也有一些明顯的差異。

Tobin 表示，電路的布線在補償導致兩半看起來略有不同大腦組成的變化。他表示，這種穩定性很可能是所有大腦的一般特徵，但可能會在某些障礙中喪失。 「疾病其實就是系統無法補償的穩定性的丟失，」他說。

Engert 正著眼於研究幼蟲斑馬魚（Danio rerio）的大腦，其中有大約10萬個神經元。今年5月，他的團隊發表了一篇問，重構了幼蟲斑馬魚大腦，並用它來研究類似神經元在開發過程中擴展和連接的路徑。

一些小組正在為小鼠腦區域建立電路圖。例如，2014年，由Sebastian Seung領導的團隊，現在在新澤西州的普林斯頓大學，發表了一個神經元地圖及其與小鼠視網膜中的聯繫。通過觀察神經元的形狀和它們的連接，他們發現，星形神經元比擁有較少分支的神經元有更多的突觸。

需要機器學習，來將研究過程自動化

如果神經迴路可以帶來什麼教訓，那就是沒有什麼網路會因為太小而不能產生驚喜，或是會阻礙人們想要理解它的努力。 30年來，馬薩諸塞州沃爾瑟姆的布蘭迪斯大學的神經科學家Eve Marder一直致力於在蟹胃系統中建立包含30個神經元的簡單迴路。它的角色很簡單，並且幾十年前，接線圖已經存在了。儘管如此，該迴路還是隱藏了許多秘密。例如，Marder已經證明，儘管個別動物的迴路可能看起來相同併產生相同的輸出，但它們的信號強度和突觸的電導差異很大。今天，她專註於研究迴路如何隨著情況的改變保持自己的身份，如離子通道和受體等被替換等。她問道：「在維護迴路的同時，您應該採用什麼規則來替換所有組件？」她還補充說，所有這些挑戰也將適用於較大的網路。 「迄今為止，我們遠遠不知道如何從動物行為和完成複雜任務中分別得到的信息有何區別。」

科學家正在為這一比較做準備。這些努力需要幾種新的收集和分析數據的方法，這些方法在過去五年左右就已經成熟了。 Zlatic的小組與Janelia的其他人合作，以調整其光學工具。為了分析這些幼蟲的視頻，Zlatic招募了專門從事機器學習的統計學家和計算機科學家，以設計分類幼蟲運動的方法。

在卡多納的實驗室，科學家通過繪製幼蟲大腦，編製數千張用電子顯微鏡拍攝的腦切片圖像，並精心追蹤神經元之間的連接。這張地圖構成了其餘工作的起點 ：繪製迴路、操縱迴路，觀察行為。在第175頁，該團隊使用這個協議來揭示果蠅大腦中稱為蘑菇體的迴路如何通過將獎勵或懲罰的感覺與感官信息相關聯來控制學習和記憶。

但是卡多納說，在該領域，繪製過程現在遇到一個很大的障礙。對果蠅嗅覺探測迴路中160個神經元的重構要花掉卡多納團隊超過1100個小時的工作時間。有人從此前的研究中進行推測，要繪製一隻成年果蠅完整的腦圖，需要一個人花上數百年才能完成。這一過程的自動化將有所幫助，但演算法可以添加虛假連接或完全錯過一些。

那些研究較大迴路的人常常會把問題分解 ：首先做一個關於細胞類型的列表集合。華盛頓州西雅圖艾倫腦科學研究所的小鼠腦連接圖譜正是採用這種方法。在2014年發表的研究中，該小組在小鼠視皮層單獨定義了49種細胞，細胞的大小和形狀、它們的激活速度以及它們表達的基因多少都不一樣。該團隊預計整個大腦的細胞數量將會更多。艾倫研究所的這一項目的研究員Hongkui Zeng說：「我猜，可能高達10,000種神經元類型。」

當被要求繪製整個小鼠大腦地圖所需的數據量時， Zeng笑了起來。然後她說：「這將是天文數字。我甚至不知道是否有一個字來形容這個。它超過了PB級。百萬億的百萬億位元組。」

如此龐大的數據量只能由一個動物的連接體產生，但是許多科學家希望得到一個可以產生數據並進行比較的點。 Tobin 認為，不同動物的腦部神經元的接線圖可能顯示也許是功能上有趣的差異，這很重要。他說，到目前為止，這是一個 n = 1的領域。

許多神經科學家的願望清單的另一個優先事項是同時記錄許多神經元。這樣一來，研究人員就可以刺激一個神經元，看看其他的哪一個被激活了，然後得到一個動態畫面，展示哪一個鏈條的命名導致了行為的發生。這將會是「更複雜的大腦的下一個巨大挑戰」，zeng說。

即使在Marder支持的30個細胞的迴路中，這仍然是假設的。 Marder可以一次性地將電極粘到少數細胞中。研究小型迴路的其他人使用各種技術來提供一個代理，以找到哪個單元正在被激活，又是何時被激活。例如，研究人員可以測量從被激活的神經元中釋放的鈣，或者因為細胞膜上電壓的變化帶帶來的熒光。但這就像通過微風的強度來衡量汽車的速度：代理的速度不如激活本身那麼快。 「現在你可以從所有的神經元記錄，但有點慢，每秒兩次，」Zlatic說， 「事情就在你來不及記錄的時候發生了。」

原文：http://www.nature.com/news/how-to-map-the-circuits-that-define-us-1.22437?WT.mc_id=Weibo_NatureNews_20170810_CONT

點擊閱讀原文可查看職位詳情，期待你的加入~

喜歡這篇文章嗎？立刻分享出去讓更多人知道吧！