資訊-電子顯微鏡揭開果蠅腦部神經元的「神秘面紗」

Janelia 的兩個科學家團隊日前已經獨立繪製出關於黑腹果蠅（Drosophila melanogaster）在幼蟲和成年生活階段記憶和學習的大腦區域，他們發現了一些意想不到的突觸，或者說是神經連接。

包括Kenyon細胞（黃色）蘑菇體輸出神經元（紫色）和多巴胺能神經元（綠色）的成體飛蠅蘑菇體內神經元

Janelia的組長、神經生物學家Albert Cardona表示，此項結果強調了深入詳細的腦圖測量的必要性，我們是使用高解析度電子顯微鏡（EM）來做到的。他說，「科學家們利用高解析度電子顯微鏡，可以在大腦中研究得最深入的部分看到更多的事物。」

卡多納及其同事以及Janelia的FlyEM項目團隊和合作者最近發布了兩項獨立的研究：2017年8月10日在Nature上發表，另一項在2017年7月18日在eLife上發表，詳細介紹了新發現的神經連接及其與行為。

Janelia執行董事Gerry Rubin說：「這個大腦區域已經被選中來研究了幾十年，人們已經描述出了主要的電路。「這些模型都很整齊。

科學家研究飛行學習和記憶的神經基礎已經40多年了，且使用光學顯微鏡來描繪涉及大腦的區域。Rubin說，這種技術跟電子顯微鏡捕獲神經細胞的原理不同。EM更費時間，但好處是可以提供更多的成像細節。

Rubin比較了連接組學（即大腦突觸的映射）到人類基因組測序早期的EM的現狀。魯賓作為果蠅基因測序的先驅，他回憶在加州大學伯克利分校HHMI研究員任職期間，「一些科學家最初迴避測序工程。」他說，「他們把信息和深度細節作為一種負擔，而不是一種機會」。現在類似的爭議也滲透到了連接組學 （Connecto Mics）領域：電子顯微鏡領域是否值得額外的努力？或者，科學家們能否繼續依靠經過驗證的光學顯微鏡？

現在，考慮到Cardona和FlyEM的新研究，這些團隊認為EM應該屬於理解「飛行大腦」的關鍵方面。

這兩個小組的論文都是繪製整個果蠅神經系統，這些研究採用了兩種不同的EM方法：成人的透射電子顯微鏡（TEM）和成人離子束掃描電子顯微鏡（FIB-SEM），以及幫助理解神經元大量纏結的專業軟體。這兩項研究的目標都是蘑菇體，也就是負責聯想學習的大腦區域（想想巴甫洛夫的狗，我們將鈴鐺戒指與美味的食物聯繫在一起）。

蘑菇體由多個隔間組成，其中三個組成成人的「阿爾法」。FlyEM在這個區域進行了調整，共繪製了983個神經元。卡多納的方法略有不同。幼蟲神經系統中的神經元比成年蒼蠅小，所以他能夠追蹤幼蟲蘑菇體的300個神經元。

令人驚訝的是，FIB-SEM揭示了三類從未見過的蘑菇體突觸，這在幼蟲和成蟲中都觀察到。這些突觸連接形成三種神經元類型：肯揚細胞，報告感官信息; 多巴胺能神經元，提供關於感覺信息的細節; 並輸出神經元，這些神經元傳遞蘑菇體外的信息。

Rubin表示，事實上，這些突觸是在年輕和成熟的蒼蠅中看到的，這意味著這種聯繫是學習和記憶環節的重要組成部分。

他說：「當我們在幼蟲身上看到它們的時候，我們不確定它是否只是一個發育的神器，就像嬰兒的牙齒的神經元一樣。Janelia的FlyEM團隊證實了神經元在成人中的存在，研究合作者，Yoshi Aso，Toshi Hige和Glenn Turner發現突觸促成了蘑菇體的功能。

現在，這些隊伍正在繼續繪製著蒼蠅和幼蟲的神經系統。FlyEM正在利用軟體方面的進步，應用與Google合作的最新機器視覺和人工智慧方法，以及在Janelia內部開發的計算機演算法和軟體，使用10倍以上的神經元來繪製。管理FlyEM團隊的史蒂夫廣場（Steve Plaza）推測，如果不是簡化工作的計算能力，那麼完成這項研究的期限可能從18個月延長到10年。

魯賓表示對這個領域的進展感到非常興奮，「如果你一年前問我需要花費多少時間來繪製整個飛行大腦，那麼我會說：『三十年後我能夠看到它就已經很幸運了』，現在，我想說五年，這個領域真的要起飛了。」

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