[读懂科学]果蝇大脑竟与人工智能相似

Published 11 Mar.2023 10:26(KST)

Updated 17 Apr.2023 16:31(KST)

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剑桥大学团队成功绘制幼年果蝇完整脑图谱
有望揭示动物感官信息处理与行为决策原理
助力人工智能研究及阿尔茨海默病等退行性脑病治疗

科学家们成功完全解析了果蝇大脑的结构，并绘制出了大脑地图，从而能够把握大脑在信息处理和行为决策等方面的运作原理。据评价，这不仅有助于人工智能（AI）研究，也为攻克阿尔茨海默病等痴呆类疾病所需的脑科学研究开辟了新天地。

英国剑桥大学研究团队于本月9日在国际学术期刊《科学》（Science）上发表了包含上述研究结果的论文。研究团队对比罂粟籽还小的果蝇（学名 Drosophila melanogaster）大脑中密集分布的3016个脑神经细胞及其之间54.8万个突触（synapse）的结构进行了完整制图。

科学界评价称，大脑研究领域又树立了一座新的里程碑。该论文共同作者之一、剑桥大学脑科学教授Marta Zlatic在国际学术期刊《自然》（Nature）上表示：“这幅地图将成为理解大脑通过何种过程处理感觉信息并将其转化为行为的试金石”，“现在我们已经拥有一种工具，可以观察在阿尔茨海默病或帕金森病等神经退行性脑疾病中，（脑细胞的）连接性究竟发生了什么变化”。

迄今为止，为了研究动物的大脑结构，科学家们已经成功绘制出秀丽隐杆线虫（Caenorhabditis elegans）、海洋多毛类蠕虫（Platynereis dumerilii）、海鞘幼虫（Ciona intestinalis）等生物的大脑地图。果蝇也一直被视为适合大脑结构研究的模型生物，因为其基因组图谱已经完成，而且身体透明。尤其是果蝇拥有能够进行学习、地形探索、嗅觉感知、行为风险与收益评估等复杂而精细行为的大脑。同时，由于体型较小，在当前技术水平下非常适合对其微观结构进行解析。共同作者之一、剑桥大学教授Albert Cardona表示：“我在20世纪80年代曾参与秀丽隐杆线虫的大脑研究，以当时的技术水平，几乎不可能对果蝇大脑结构进行研究。”

研究团队利用纳米级分辨率的电子显微镜，对出生6小时的幼年果蝇大脑进行分析。在一年半的时间里持续拍摄大脑图像，随后又花费数月时间借助计算机程序精确识别神经细胞和突触，并逐一进行人工核对。结果显示，在3016个神经细胞中，有93%与位于大脑另一侧的其他神经细胞相连。其余未成对的神经细胞大多是参与学习和记忆中枢的关键脑细胞——肯扬细胞（Kenyon cells）。

此后，研究团队解析了各个神经细胞之间的连接结构，确认54.8万个突触可被分为4种类型的群组。同时还发现，果蝇大脑是由连接输入与输出的不同长度通路构成的多层结构网络。研究还发现，大脑神经细胞网络中存在可以跳过多层结构的捷径通路，这被分析为果蝇在神经细胞数量有限的情况下仍能进行快速计算的原因。果蝇大脑中有41%的神经细胞具有重复回路（loops），可以向更高层级的“伙伴”提供反馈。这些捷径通路和重复回路与用于人工智能（AI）研究的最前沿人工神经网络结构相似。

Zlatic教授表示：“本次研究结果虽然仅以一个个体的大脑为对象获取数据，但随着技术进步，不仅可以对更多个体开展研究，也有望绘制其他物种的大脑结构图”，“这些成果可以用于训练机器学习，使其以更快的速度完成学习过程”。