霍華德·休斯醫(yī)學(xué)研究所（Howard Hughes Medical Institute）主導(dǎo)的研究團(tuán)隊成功構(gòu)建了果蠅視覺系統(tǒng)的完整連接組，這一研究為系統(tǒng)性探討視覺信息是如何處理并傳遞到中央大腦提供了全新視角。

視覺信息涉及色彩、形狀和運動等復(fù)雜內(nèi)容?？缥锓N的研究表明，視覺區(qū)域在大腦中占據(jù)了相當(dāng)大的比例，并展現(xiàn)出與視覺功能密切相關(guān)的神經(jīng)元組織結(jié)構(gòu)。

果蠅因其卓越的視覺行為表現(xiàn)以及提供了可以針對特定細(xì)胞類型進(jìn)行操作的遺傳工具，已成為研究視覺處理的重要模型。這些優(yōu)勢使果蠅尤其適合研究神經(jīng)回路如何計算感覺信息，這對人類臨床研究以及人工智能光學(xué)傳感器的開發(fā)具有重要意義。

盡管基于電子顯微鏡的研究已極大推動了對果蠅運動視覺的理解，但這些研究通常僅聚焦于視覺大腦的部分區(qū)域，并提出了有限的機(jī)制假設(shè)。而在小鼠視網(wǎng)膜中，系統(tǒng)性的全腦細(xì)胞類型分類已得到實現(xiàn)，但在昆蟲領(lǐng)域尚未達(dá)到此水平的完整性。

通過將完整的神經(jīng)元清單與一個集成工具包結(jié)合起來，研究人員能夠操作并測量視覺系統(tǒng)中各個細(xì)胞類型，這將為深入探討神經(jīng)回路如何支撐感覺處理提供新的機(jī)會。這個包含形態(tài)學(xué)、突觸連接、神經(jīng)遞質(zhì)和遺傳訪問等信息的連接組數(shù)據(jù)集，將成為這一研究的關(guān)鍵。

在《自然》期刊上發(fā)表的名為《Connectome-driven neural inventory of a complete visual system》的研究中，團(tuán)隊利用聚焦離子束銑削技術(shù)和掃描電子顯微鏡，構(gòu)建了果蠅視覺系統(tǒng)的完整連接組，目的是理解神經(jīng)元形態(tài)和突觸連接如何與視覺處理相關(guān)聯(lián)。

為了捕捉整個視覺系統(tǒng)的圖像，科學(xué)家們解剖了雄性果蠅的中央神經(jīng)系統(tǒng)，并將大腦和腹神經(jīng)索切割成66個超薄薄片。七臺定制的電子顯微鏡在一年多的時間里，以納米級分辨率完成了數(shù)據(jù)的采集。

在成像完成后，自動分割技術(shù)幫助識別神經(jīng)元片段，專家注釋員對這些片段進(jìn)行了復(fù)審和修正。重建工作集中在右側(cè)視葉，而其他腦區(qū)的校對仍在繼續(xù)進(jìn)行。

這一過程中，研究人員記錄了約53,000個神經(jīng)元，并將其歸類為732種不同的細(xì)胞類型。視覺系統(tǒng)中共記錄了約4900萬個突觸連接，其中約一半的細(xì)胞類型是此前未曾命名的。許多神經(jīng)元按重復(fù)模式排列，在果蠅的視覺場中提供了均勻的覆蓋。

為了預(yù)測這些神經(jīng)元如何通信，研究團(tuán)隊基于近200萬個突觸數(shù)據(jù)訓(xùn)練了一個深度學(xué)習(xí)模型，以識別可能的神經(jīng)遞質(zhì)。通過實驗數(shù)據(jù)的驗證，模型預(yù)測在多個細(xì)胞類型中得到了確認(rèn)。

遺傳訪問工具也被整合進(jìn)來。研究團(tuán)隊開發(fā)了582條split-GAL4驅(qū)動線，每一條都能精準(zhǔn)靶向特定神經(jīng)元類型。這些工具為未來的行為、功能成像等實驗提供了精確的控制。

連接性映射揭示了一個簡化的架構(gòu)：近50,000個局部神經(jīng)元通過352條獨特的路徑將視覺信息傳遞給4,500個投射神經(jīng)元，后者將信息傳送到中央大腦。除了已有的經(jīng)典視覺路徑外，研究還發(fā)現(xiàn)了一些此前未被描述的通路，為未來的研究開辟了新方向。

研究未發(fā)現(xiàn)針對眼睛背面區(qū)域（該區(qū)域?qū)ζ窆饷舾校┑膶ｉT視覺投射神經(jīng)元，也未識別出任何針對該區(qū)域的離心神經(jīng)元。這是否意味著該區(qū)域沒有特化神經(jīng)元，或是模型的局限性，仍然是一個未解之謎。

該研究所構(gòu)建的數(shù)字框架使得每一種神經(jīng)元類型都可以被查詢和交叉參考。這一架構(gòu)為研究人員提供了測試視覺特征（如運動、形狀或亮度）如何被計算并傳遞到大腦其他區(qū)域的可能性。

通過這一系統(tǒng)化的連接組，曾經(jīng)只能推測的功能性問題如今可以被有條理地追蹤和探索。例如，研究人員可以追蹤特定的路徑，了解運動敏感神經(jīng)元下游的神經(jīng)元如何傳遞信息，探討視覺信息如何與行為相聯(lián)系，或者研究之前未知的細(xì)胞類型在特征檢測中的作用。

盡管該連接組并未揭示所有信息（如受體譜或肽類信號），但它為這些問題的進(jìn)一步研究奠定了基礎(chǔ)。未來的研究可能會將基因表達(dá)數(shù)據(jù)和生理記錄疊加到這一架構(gòu)上，進(jìn)一步揭示結(jié)構(gòu)與功能之間的關(guān)系。

該研究的資源，包括神經(jīng)元圖譜和驅(qū)動線，現(xiàn)已向更廣泛的科研界開放。結(jié)合這些工具，研究人員可以將視覺不僅僅看作一種抽象的感覺過程，而是作為一個具體、可測試的神經(jīng)回路進(jìn)行深入探索。

參考文獻(xiàn)：Aljoscha Nern et al, Connectome-driven neural inventory of a complete visual system,?Nature?(2025).?DOI: 10.1038/s41586-025-08746-0

編輯：周敏

排版：李麗