在一只果蝇的大脑中，神经细胞彼此交织在一起，使飞行、交配、进食、睡眠和她的所有其他活动成为可能。现在，在10月2日发表在《自然》杂志上的九篇论文中，科学家们报告了她的神经细胞的第一张完整图谱——确切地说，共有139,255个神经细胞和5450万个连接。这张整个大脑的地图经过多年的精确追踪，虽然很小但却非常精美：它拥有149.2米的神经线路，全部紧凑地包装在一个约等于罂粟种子大小的大脑中。
因此，这张地图显示了神经信息在果蝇（黑腹果蝇）的细胞之间可能的流动方式，这种动物比人类简单，但却足够复杂，仍然让那些试图理解其大脑的人感到神秘。“这项工作非常迷人，”印第安纳大学布卢明顿分校的神经科学家Olaf Sporns说。早在2005年，他和他的同事们创造了“连接组”这一术语，即神经细胞或神经元之间连接的计算。
在接近20年后的今天，科学家们已经绘制了更多的连接组地图，包括雄性和雌雄同体线虫（C. elegans）蠕虫的连接组图谱，果蝇幼虫，部分小鼠和人类大脑，以及成年果蝇大脑的一部分。这最新的果蝇连接组是此类中最大的一种。“当连接组学刚刚起步时，创建一张如这项工作中展示的地图几乎像是科幻小说，”Sporns说。“而现在，令人惊讶的是，它就在这里。”
该项目涉及超过7,000张雌性果蝇大脑的薄切片的电子显微镜图像，并使用机器学习来对齐复杂的神经元枝条，通过不同的切片追踪细胞。机器学习让研究人员接近了整个连接组。“但仍然需要人类来纠正错误，”普林斯顿大学参与该项目的计算神经科学家Sven Dorkenwald说，目前他在西雅图的艾伦脑科学研究所和华盛顿大学工作。来自50多个实验室的数百人用肉眼校对了地图，确保细胞的形态如它们看起来那样。
这是一个从头到尾的大工程。“我们是否认为这会花这么长时间，差不多20年后我们才会有果蝇的连接组？可能不是，”普林斯顿大学的计算神经科学家 Sebastian Seung 说。“但过于乐观的人推动了进步。”在早期，致力于连接组地图的工作“是一个逆向思维的事情，”Seung 说。“大多数人认为这很疯狂。有两种反对意见。其一是不可能，其二是即使成功了，这些数据也毫无用处。”
但这些数据已经证明了它们的有用性，揭示了细胞的细节和关于大脑如何工作的有趣线索。例如，整个果蝇大脑中只有两个 CT1 神经元，每个都涉及感知光和运动变化。地图显示，每个神经元跨越整个眼睛，形成了超过14.8万个突触。另一项分析将一些神经元分类为“集成器”，它们接收大量来自其他细胞的信息，或“广播器”，它们向大量受众发送信号。这些扩音器细胞可能帮助信号传播，但以选择性的方式。
随着连接组的绘制，科学家们已经开始构建信息在大脑中如何流动的计算机模型。“你从神经元之间的连接开始，然后用它来帮助你建立一个网络的模拟，”Seung 说。“这是一个完全显而易见的方法，但如果你没有连接组，你无法做到。”例如，一项新的研究表明，味觉神经元可以激活下游的其他细胞。而这仅仅是个开始，Seung 说。
“我的一个科幻迷的笑话是，为了这次实验，一只果蝇必须被牺牲，但这只果蝇可以在模拟中永远存在。”Sporns 也展望未来：“我预见未来连接组地图将变得更加全面和详细，很快会包括像小鼠和人类这样的脊椎动物的大脑，”他说。这些地图将帮助回答关于大脑连接组的重要问题——它们在个体之间是否有差异，是否随时间变化，以及它们是否能够帮助预测行为。