概览：在3月10日，《科学》杂志上发布了一项开创性成果——迄今为止最为详尽的果蝇幼虫全脑神经元连接图谱，亦被称为“大脑地图”。这项研究将对未来的脑科学研究提供强大支持，并激发新一代人工智能系统的创新设计。论文的两位通讯作者之一，英国剑桥大学的Albert Cardona教授表示，这一发现为理解大脑在疾病和进化过程中的变化提供了基石。

Cardona教授指出，研究团队发现，大脑的强大计算能力不仅源自于相邻神经元层间的连接，还源于跨层连接这一独特结构。这种结构能在不增加神经元数量的情况下，有效降低新陈代谢成本，同时维持高效计算能力。

Cardona教授强调，研究揭示了大脑高度的递归特性，这与强大的人工神经网络架构共享相似特点。递归性在大脑的学习中心输入和输出神经元中尤为显著。

研究团队进一步阐述，随着更多果蝇及其他相关物种的“大脑地图”绘制完成，科学家们将能够更深入地探索大脑的“线路布局”及其演变规律，从而揭示更多计算原理。

论文另一位通讯作者、美国约翰霍普金斯大学助理教授Joshua T. Vogelstein指出，构建人类大脑网络的程序或代码，是我们亟待解决的问题。他对果蝇的“代码”理解，将对人类的“代码”产生深远影响。

通过一系列精心设计的实验流程，研究团队最终完成了包含3016个神经元和548,000个突触的果蝇幼虫大脑神经元连接图谱的绘制。这一过程历经12年，凝聚了团队的不懈努力。

“大脑地图”的含义

人类大脑由多种神经元细胞构成，这些神经元的轴突交织如网，负责传递信号至大脑的不同区域。神经元的分布模式与特定脑功能紧密相关。因此，深入了解大脑工作机理，需深入探究其神经网络的构成与连接。绘制高精度的大脑神经元连接图谱，即“大脑地图”，成为了脑科学领域的重要任务。

Vogelstein教授表示，这一成就标志着一个里程碑，表明我们有能力实现这一目标。自1970年代以来，科学家们首次成功绘制了果蝇的全脑“地图”。随后，包括果蝇、小鼠乃至人类大脑的部分连接图谱相继被绘制，但它们仅覆盖了大脑的一部分区域。

这项研究由美国约翰霍普金斯大学和英国剑桥大学的研究人员共同完成，题为《昆虫大脑连接组》。研究团队通过连续切片、成像和三维重建技术，最终完成了包含3016个神经元和548,000个突触的连接图谱绘制。

绘制过程

Cardona教授解释说，研究过程中面临的最大挑战之一是对黑腹果蝇幼虫的完整中枢神经系统进行5000个连续40纳米厚的切片预处理。每一片都极其脆弱，容易受损。完成切片后，以纳米级分辨率进行成像是另一大难题，需要三台透射电子显微镜同时工作六个月。最后，他们还需将数十万个单独图像对齐，构建起三维模型，以此绘制出大脑的所有“电路”。

选择果蝇作为研究对象，是因为它与人类在基本生物学层面有许多共通之处，包括相似的遗传基础。此外，果蝇展现出丰富的学习和决策行为，使其成为神经科学研究的理想模型生物。

这项研究历时12年，单个神经元的成像工作耗时一天。剑桥大学团队首先创建了高分辨率的大脑神经元图像，并仔细研究这些图像，以识别每个独立的神经元，并精确追踪其突触连接。

从“虫脑”到“人脑”

Cardona教授指出，虽然已取得重要突破，但分析大脑的“电路”仍是一项巨大挑战。通过研究果蝇神经系统的信息处理机制，团队旨在启发新的机器学习架构，推动对人类大脑复杂功能的探索，并最终尝试开发能够模拟人类思维的计算机程序。

研究揭示，果蝇大脑中最繁忙的电路涉及输入和输出学习中心的神经元。这一发现有助于理解大脑如何高效执行特定任务。

这一研究成果于2022年11月28日先行发布于预印本平台bioRxiv，三个月后在《自然》杂志上正式发表。人类大脑拥有数千亿个神经元，它们通过复杂的网络相互连接，支撑着我们的认知、情感和决策等核心功能。

中国“脑计划”的领导者、中国科学院院士蒲慕明在演讲中强调，脑科学研究的核心目标是揭示大脑功能的基础和运作原理，探索大脑如何工作；同时，期待从大脑研究中获得灵感，开发出能够模拟大脑、实现更高智能的人工设备，包括智能机器人。