A connectomics milestone: Mapping the complete male fruit fly brain

连接组学的重要里程碑：绘制完整雄性果蝇大脑图谱

2026年9月3日

Michał Januszewski 和 Viren Jain，研究员，Google Research

我们与 HHMI Janelia 及其合作伙伴共同发布了雄性果蝇大脑和中枢神经系统的完整图谱，创造了迄今为止规模最大的脑图谱。结合对其他物种（如鱼类和小鼠）的持续研究，这些连接图谱开始揭示所有大脑运作的机制。

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常见的果蝇 *Drosophila melanogaster* 在多项诺贝尔奖研究中扮演了关键角色。得益于其典型行为和短生命周期，果蝇一直是遗传学研究的重要模式生物，并有望在神经科学领域发挥类似作用。尽管这种嗜果昆虫的思维似乎与人类认知相去甚远，但不同物种的大脑在许多方面存在共性。由于目前尚无法绘制人类大脑中860亿个神经元的图谱，科学家正利用人工智能来绘制小型生物（如果蝇）的大脑。这将帮助我们解读动物神经系统如何感知世界、对刺激做出反应，以及未来如何修复受损的神经通路。

在 Howard Hughes Medical Institute (HHMI) Janelia 研究园区主导的项目中，我们的团队与合作伙伴共同发布了雄性果蝇大脑和中枢神经系统的完整连接图谱。该成果发表于《Cell》期刊，题为《果蝇雄性中枢神经系统完整连接组的性别二态性》，是为期十年合作的成果，通过计算和人工智能推动了连接组学领域的发展，实现了整个大脑的细胞级地图绘制。该图谱包含超过16.6万个神经元和1.25亿个突触连接，是迄今为止神经元数量最多的脑图谱，为科学家利用果蝇作为研究大脑工作机制的模式生物提供了基础资源。

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从正面以一定角度（左）和从上方（右）观察的雄性果蝇大脑和中枢神经系统中一小部分细胞。

雄性果蝇连接组还包括腹神经索（相当于脊髓），因此开始从仅限大脑扩展到大脑如何控制身体的范围。雄性果蝇连接组已由 HHMI Janelia 的专家团队进行注释、验证（校对），可通过我们开发的开源工具 Neuroglancer 进行查看、探索和下载，该工具旨在帮助研究人员可视化大规模多维数据集。

新的连接组包含中央脑（绿色）、视叶（紫色）和腹侧（即中央）神经索（蓝色）的神经元。新的连接组使研究人员能够将听觉、视觉和嗅觉输入与运动输出联系起来，这对于这一关键模式生物的研究具有重要意义。

这个新的大脑图谱补充了雌性果蝇大脑图谱以及最近发布的完整雌性果蝇大脑和神经索图谱。同时拥有雄性和雌性大脑及中枢神经系统图谱，使研究人员能够在神经元存在差异的区域进行对比，并用于研究果蝇求偶和攻击行为的生物学机制。在大脑相似区域，拥有两个完整的果蝇连接组将使研究人员开始观察个体间的差异性。

一个在雄性（绿色）和先前绘制的雌性（品红）果蝇大脑中存在差异的神经元示例。雄性神经元具有两个额外的突触。人工智能技术能够实现精确的三维重建，从而定位这些结构差异。

构建完整果蝇大脑图谱的步骤

大脑图谱绘制（或称连接组学）从将大脑切成数百万片薄片开始，对每一片进行成像，再利用计算机和人工智能将图像拼接在一起。我们的研究人员构建了利用人工智能将平面电子显微镜图像转化为三维重建的系统，采用不断演进的技术套件生成精确的神经元形态。

我们的连接组学工具包括洪水填充网络，该网络使用卷积神经网络从单个像素开始，识别属于同一物体的其他所有像素。2019年，我们的连接组学团队发布了首个完全自动化的雌性果蝇大脑重建图谱。到2020年，我们的团队与合作伙伴发布了经过人工验证的雌性果蝇大脑一半区域的图谱，包含2.5万个神经元和2100万个连接，当时创下了记录。与此同时，团队已经开始构建完整的雄性果蝇大脑验证图谱，现已完成。

这些方法持续改进。最近的一项工作将合成神经元纳入训练数据，成功提升了我们最先进的重建系统PATHFINDER的速度和精度。我们还在帮助开发新的标记和注释特定类型神经元的技术。目前，绘制果蝇大脑需要数年的人工努力才能验证和注释神经元形态。通过减少对人工纠错的需求，研究团队可以在合理的预算和时间范围内开展更大规模的大脑图谱项目。

展望未来：绘制完整鱼类大脑

连接组学领域已开始向脊椎动物扩展：具有脊髓的生物。这些生物在解剖结构、进化和功能上与人类更为相似。在哥伦比亚大学主导的一项研究中，我们的团队帮助绘制了非洲电鳗鱼小脑部分区域的图谱，该区域用于信号处理。本周发表在《自然》杂志上的这篇论文《用于感觉预测的类似小脑回路的连接组分析》，首次展示了如何将静态资源连接组与其他信息结合，用于研究神经可塑性和学习，创造了迄今为止最完整的脊椎动物大脑学习机制模型。

斑马鱼幼体是少数几种能够利用当前技术从头到尾绘制大脑图谱的脊椎动物之一。斑马鱼幼体阶段具有透明性优势，允许在实验过程中测量神经活动，如ZAPBench数据集所捕捉的那样。我们与哈佛大学合作的即将发表的论文《一种用于幼体斑马鱼大脑神经分类和回路解析的连接组资源》，是首个包含整个脊椎动物大脑神经结构和分子类型的脊椎动物全脑数据集。我们的团队还发布了该数据集的初步版本，该数据集将神经活动和结构整合在同一幼体斑马鱼大脑中，并作为开放资源提供给研究社区。

Fish Fire&Wire数据集的图像，该数据集将同一斑马鱼幼体标本的全脑电信活动和神经结构相结合。

结论

雄性果蝇连接组是一项基础性资源，将支持实验神经科学的新时代，在生物学、药学和医学领域具有未来应用前景。今天发布的三篇配套论文展示了雄性果蝇连接组如何已被用于视觉系统、味觉和社会行为的神经科学研究。此处开发的方法也将有助于推进其他项目，例如即将发布的斑马鱼大脑完全校对图谱，以及小鼠大脑部分区域的绘制。尽管模拟人类大脑中860亿个神经元目前仍遥不可及，但我们正逐步揭示大脑的工作原理，并理解阿尔茨海默病、抑郁症或精神分裂症等精神疾病背后的机制。未来，我们希望这些努力能够为治疗认知障碍、改善脑健康和促进脑修复提供新途径。

致谢

感谢HHMI Janelia及其他学术合作机构的同仁，也感谢Google连接组团队的核心贡献。我们感谢Hannah Hickey和Elise Kleeman的帮助。感谢Lizzie Dorfman、Michael Brenner、John Platt和Yossi Matias的支持、协调和领导。

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• 一般科学

• 健康与生物科学

• 机器智能

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果蝇神经通路和神经索的两个详细三维彩色编码可视化图。

雄性果蝇神经系统示意图，标注了中央脑、视叶和腹神经索（VNC）。

二态性神经通路AOTU008的比较图，展示了雄性和雌性果蝇之间的差异。

果蝇头部半透明灰轮廓内互联神经元的多色三维地图。