电子显微镜发现果蝇大脑中意想不到的连接

曾经被认为是已经完成的果蝇大脑图谱，现在被重新审视了，研究人员发现，它实际上根本没有完成。

珍妮利亚研究校园的两组科学家已经独立地绘制出了一个大脑对果蝇的记忆和学习至关重要的区域，黑腹果蝇在幼虫和成虫阶段。他们的发现为看似已解决的电路增加了一些意想不到的神经连接或突触。

研究结果强调了对深入详细的大脑绘图的需要，并为使用高分辨率电子显微镜(EM)来做这件事提供了理由，他说阿尔伯特·卡多纳·他是Janelia的小组领导和神经生物学家。他说，即使在苍蝇大脑中被研究得最透彻的部分，仍有很多东西有待科学家去发现。

Cardona和他的同事，还有Janelia的FlyEM项目团队和合作者最近发表了两项独立的研究:一项在自然2017年8月10日，另一个在eLife2017年7月18日，详细介绍了新发现的神经连接，以及它们如何与行为相关。

“大脑的这一区域已经研究了几十年，人们已经描述了主要回路，”他说格里·鲁宾她是Janelia的执行董事。“模特们把一切都收拾得整整齐齐;这些报纸说，‘好吧，别这么快。’”

科学家们已经研究了苍蝇学习和记忆的神经基础40多年，并绘制了涉及使用的大脑区域光学显微镜．鲁宾说，该技术不能像电子显微镜那样捕捉到神经的本质。EM需要更多的时间，但可以提供更多的成像细节。

鲁宾将连接组学中EM的当前状态，即大脑中突触的映射，比作早期的人类基因组测序。鲁宾是基因测序的先驱果蝇在他担任加州大学伯克利分校的HHMI研究员期间，他回忆说，一些科学家最初回避测序。他说，他们认为铺天盖地的信息和深入细节是一种负担，而不是一种恩惠。现在，一个类似的争论弥漫在连接组学领域:电子显微镜值得我们付出额外的努力吗?还是说，科学家们可以继续依赖可靠的光学显微镜?

现在，考虑到Cardona和FlyEM的新研究，研究团队表示，EM应该被纳入了解苍蝇大脑的一个关键方面。

这两个团队的论文都是绘制整体地图的更大努力的一部分果蝇神经系统- Cardona和合作者在幼虫，FlyEM项目的团队在成年苍蝇。这些研究采用了两种不同的电磁方法:透射电子显微镜(TEM)和聚焦离子束扫描电子显微镜(FIB-SEM)，以及专门的软件来帮助理解神经元的巨大纠结。两项研究都以蘑菇体为目标，这是大脑中负责联想学习的区域(就像把铃声和美味的食物联系起来——想想巴甫洛夫的狗)。

蘑菇体由多个隔室组成，其中三个隔室组成了成虫的“阿尔法叶”。FlyEM锁定了这个区域，绘制了总共983个神经元。卡多纳的方法略有不同。幼虫神经系统中的神经元比成年苍蝇要小，所以他能够追踪幼虫蘑菇体的300个神经元。

令他们惊讶的是，FIB-SEM发现蘑菇体内有三种从未见过的突触——在幼虫和成虫身上都观察到了。这些突触连接是在三种神经元之间形成的:肯尼恩细胞，负责报告感觉信息;多巴胺能神经元，提供感官信息的细节;并输出神经元，将信息传递到蘑菇体之外。

鲁宾说，这些突触在年轻的和成年的苍蝇身上都能看到，这意味着这些连接是学习和记忆回路的关键部分。

他说:“当我们在幼虫中看到它们时，我们不确定这是否只是一种发育人工制品——它们是否会像乳牙的神经元版本一样消失。”Janelia的FlyEM团队证实了这些神经元在成人体内的存在，该研究的合著者Yoshi Aso, Toshi Hige和Glenn Turner表明，这些突触有助于蘑菇体的功能。

现在，研究小组正在继续全面绘制苍蝇和幼虫的神经系统。FlyEM, 10倍以上神经元该公司正在利用软件方面的优势——应用最新的机器视觉和与谷歌合作的人工智能方法，以及在Janelia内部开发的计算机算法和软件。FlyEM团队的负责人Steve Plaza推测，如果没有计算能力的提升，完成这项研究的18个月可能会延长到10年。

“我对这个领域的进展感到非常兴奋，”鲁宾说。“如果你一年前问我绘制苍蝇的整个大脑需要多长时间，我会说，‘30年，能看到它我就很幸运了。’”现在，我觉得更可能是5年。”“我认为这个领域真的即将起飞。”