來自谷歌和霍華德·休斯醫學研究所（HHMI）的 Janelia 研究園區（Janelia Research Campus）FlyEM 團隊的研究人員，在近日發布了有史以來最高解析度的動物大腦連接圖——半腦連接組（hemibrain connectome），這是重建的首個突觸級連接組。
圖 | 這個新的「連接體」描繪了果蠅大腦中大約 25000 個神經元，這裡顯示了其中的一部分（來源：谷歌
研究人員分享了一個 3D 模型，該模型追蹤了果蠅大腦中約 25000 個神經元的 2000 萬個突觸，它們可以被分成數千種不同的細胞類型，橫跨大腦的幾個區域。該模型是連接學領域的一個裡程碑，它使用詳細的成像技術來繪製大腦的物理路徑。此前，只有 C. elegans 的大腦能被完整地描繪成這樣。
半腦連接組覆蓋了果蠅大腦的約三分之一，包括蘑菇體和對聯想學習和飛行導航至關重要的複雜腦迴路；時鐘神經元迂迴，包括內積體也可以揭示睡眠機制相關原理；此外，根據現有的光學顯微鏡圖像數據和以前在視葉的部分連接體重建，它還確定了大多數進入中央腦區域的視葉神經元，從而可以分析後續的視覺處理。
果蠅被公認為是被人類研究最為徹底的生物之一，果蠅相關的研究推動了分子生物學、遺傳學和神經科學的發展，目前有 8 個諾貝爾獎歸屬於果蠅的相關研究。果蠅的重要優勢在於其大腦相對較小，更容易作為一個完整的迴路來研究。
圖 | 果蠅
Google 在 2014 年與 Janelia 建立了合作關係，專注於研究果蠅大腦數據和 3D 自動化重建。在 2019 年，他們聯合劍橋大學重建了果蠅完整大腦，公開了 40 萬億像素的圖像，同時還開發了一個 3D 的交互界面 「Neuroglancer」。此前，科學家只能使用人工方法繪製果蠅大腦。
在宣布能夠自動重建果蠅大腦之後，他們表示將繼續推進與 FlyEM 團隊密切合作，利用「FIB-SEM」技術獲得的圖像，創建一個高度驗證且詳盡的果蠅大腦的連接組。
圖 | 果蠅大腦的自動重建（來源：谷歌）
製作這張連接圖的第一步是將果蠅大腦的各個部分切成 20 微米厚的碎片，大約是人類頭髮寬度的三分之一。然後用掃描電子顯微鏡的電子流轟擊這些大腦切片，使其成像。由此產生的數據由大約 50 萬億個三維像素 (即體素) 組成，通過追蹤每個細胞路徑的算法對其進行處理。
儘管谷歌擁有強大的算法能力，它仍然需要大量的人力來檢查軟體的工作。該公司表示，Janelia 的科學家花了兩年時間和數十萬小時來校對 3D 連接圖，使用 VR 頭盔和定製的 3D 編輯軟體來驗證這 2000 萬個化學突觸的路徑。
即使這樣，最終的連接圖也只能是「半腦連接圖」。果蠅的大腦總共有 10 萬個神經元，而人類大腦大約有 860 億個神經元。這離建立一個完整的神經通路連接體還很遠。
圖 | 重建連接圖（來源：FlyEM）
在科學界，大家對連接學的評價好壞參半。有人認為連接學可以把大腦的物理部分和特定的行為連接起來，但也有人認為連接學發展至今沒有產生任何重大突破，但是繪製神經元圖譜的工作耗費了大量的資源。
研究人員稱，由於成像的高解析度，即使只有一立方毫米的腦組織，也可以產生超過 1000TB 的數據。因此，這次重建整個果蠅的大腦，可想數據量有多龐大。用於處理數據的，是谷歌數千個 Cloud TPU。
諾丁漢大學的神經學家 Mark Humphries 在接受外媒採訪時講到，重建毫無疑問是一個技術上的奇蹟，但是，它本身不會回答緊迫的科學問題，不過它可能會引出一些有趣的謎團。