FlyWire發(fā)布已經(jīng)一周年了，這是人類歷史上首個(gè)成年雌性果蠅的完整大腦連接組。這項(xiàng)里程碑式的成果發(fā)表在《自然》雜志的一組論文中[1]，是普林斯頓大學(xué)Mala Murthy實(shí)驗(yàn)室、H. Sebastian Seung實(shí)驗(yàn)室，以及FlyWire聯(lián)盟多年努力的結(jié)晶。該聯(lián)盟匯聚了全球100多所機(jī)構(gòu)的神經(jīng)生物學(xué)家、計(jì)算機(jī)科學(xué)家和統(tǒng)計(jì)學(xué)家。

FlyWire繪制了超過10萬個(gè)神經(jīng)元和5000萬個(gè)突觸的圖譜，為研究人員提供了成年雌性黑腹果蠅神經(jīng)系統(tǒng)的完整視圖，大幅加快了研究進(jìn)程。埃默里大學(xué)生物學(xué)助理教授Anita Devineni表示：“在FlyWire出現(xiàn)之前，人們可能要花整個(gè)博士階段的時(shí)間追蹤某個(gè)神經(jīng)環(huán)路的結(jié)構(gòu)，之后才能開始研究它的功能?，F(xiàn)在，我們只需點(diǎn)擊幾下鼠標(biāo)就能完成——這樣我們立刻就能知道環(huán)路的樣子，進(jìn)而去研究更有價(jià)值的問題：它是如何工作的?！?/p>

研究人員已將FlyWire數(shù)據(jù)用于一系列研究，例如發(fā)現(xiàn)了參與運(yùn)動(dòng)控制的新神經(jīng)環(huán)路[2]，還揭示了調(diào)控果蠅社會(huì)行為[3]和味覺感知過程[4]的新機(jī)制。伯明翰大學(xué)神經(jīng)遺傳學(xué)教授Carolina Rezaval指出：“FlyWire具有變革性意義。它讓全腦連接性數(shù)據(jù)變得可獲取、可檢索，大幅加速了假設(shè)生成和神經(jīng)環(huán)路繪圖的過程。同時(shí)，其解剖學(xué)層面的分辨率和完整性，也讓我們能更全面地思考分布式網(wǎng)絡(luò)如何協(xié)調(diào)行為?！?/p>

有了這份連接組，研究人員開始思考可在此基礎(chǔ)上開發(fā)的新工具和新圖譜。加州大學(xué)圣巴巴拉分校分子、細(xì)胞與發(fā)育生物學(xué)系助理教授 Sung Soo Kim認(rèn)為：“我覺得連接組領(lǐng)域的下一大步，是繪制化學(xué)連接組。”研究人員的其他愿望還包括：繪制更多果蠅物種的連接組、在連接組上疊加RNA測(cè)序數(shù)據(jù)，以及將FlyWire 與NeuronBridge 等常用工具進(jìn)行整合。

?通過揭示大腦區(qū)域之間出乎意料的連接，連接組加速了假設(shè)的生成，并激發(fā)了果蠅研究人員之間的新合作。圖源：Anita Devineni

為慶祝FlyWire發(fā)布一周年，The Transmitter邀請(qǐng)了九位果蠅研究人員，分享他們?cè)诠ぷ髦腥绾问褂眠B接組數(shù)據(jù)、連接組為該領(lǐng)域帶來了什么，以及未來果蠅連接組學(xué)研究需要哪些新工具和新資源。

安妮塔?德維內(nèi)尼

Anita Devineni

埃默里大學(xué)助理教授

所處The Devineni Lab研究神經(jīng)回路如何將來自世界的感官線索轉(zhuǎn)化為靈活的行為反應(yīng)。包括我們用味覺決定吃什么，而我們對(duì)食物的反應(yīng)會(huì)被饑餓、體驗(yàn)和獎(jiǎng)勵(lì)等內(nèi)在信號(hào)深刻調(diào)節(jié)。實(shí)驗(yàn)動(dòng)物為果蠅，因?yàn)樗峁┝诉z傳學(xué)工具，以單細(xì)胞分辨率研究神經(jīng)回路，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)神經(jīng)回路功能的機(jī)制性理解。正在調(diào)查的問題包括：1）蒼蠅如何將味覺、饑餓和經(jīng)驗(yàn)整合起來來指導(dǎo)它們的行為？2）大腦如何編碼味覺刺激并將感官反應(yīng)轉(zhuǎn)化為運(yùn)動(dòng)信號(hào)？3）大腦的內(nèi)部狀態(tài)如何重構(gòu)味覺處理？4）在正常喂食和慢性暴飲暴食期間，味覺和獎(jiǎng)勵(lì)信號(hào)是如何整合的？

您的實(shí)驗(yàn)室如何在研究中利用FlyWire連接組數(shù)據(jù)？

安妮塔?德維內(nèi)尼：FlyWire對(duì)我們的研究而言價(jià)值極高。在果蠅味覺研究領(lǐng)域，味覺器官中負(fù)責(zé)感知不同味道的感覺神經(jīng)元已被充分研究，但大腦中接收和處理味覺信息的神經(jīng)回路，多年來一直是個(gè)謎，直到FlyWire連接組的出現(xiàn)。

連接組一經(jīng)發(fā)布，我的實(shí)驗(yàn)室（還有其他同行）就立刻行動(dòng)起來，開始用它追蹤腦內(nèi)味覺信息的傳遞路徑。只需幾行代碼，我們竟然即鎖定了領(lǐng)域內(nèi)數(shù)十年都在探尋的腦內(nèi)味覺通路[5]。目前，我們實(shí)驗(yàn)室正在通過實(shí)驗(yàn)明確這些味覺通路中神經(jīng)元的功能，而連接組能預(yù)測(cè)每個(gè)神經(jīng)元對(duì)何種刺激產(chǎn)生反應(yīng)、可能具備何種行為功能。

現(xiàn)在，每當(dāng)我們提出一個(gè)假設(shè)（比如“我們研究的這個(gè)神經(jīng)元沒準(zhǔn)正在參與學(xué)習(xí)記憶過程”），第一反應(yīng)就是立刻去FlyWire上查查，看看有沒有神經(jīng)連接能支持這個(gè)猜想。雖然實(shí)驗(yàn)還是得親手做，但連接組能告訴我們：該做哪個(gè)實(shí)驗(yàn)。

FlyWire為果蠅神經(jīng)科學(xué)領(lǐng)域帶來了什么？

安妮塔?德維內(nèi)尼：它徹底改變了這個(gè)領(lǐng)域。我常說，連接組就像一張路線圖。要去某個(gè)地方，你當(dāng)然還得自己開車，但地圖能確保你沒走錯(cuò)方向。在此之前，我們就像是一邊開車，一邊摸索著畫地圖，一次只能畫一個(gè)街區(qū)，，對(duì)整體情況的認(rèn)知十分有限。而現(xiàn)在，連接組把完整的全景圖攤開在我們面前，借助它，我們能發(fā)現(xiàn)局部視角下無法察覺的神經(jīng)連接模式或關(guān)聯(lián)。

未來您希望看到哪些新工具、新分析方法或補(bǔ)充圖譜？

安妮塔?德維內(nèi)尼：我原本希望能有一個(gè)能把大腦、神經(jīng)索與身體（如感覺器官和肌肉）全連起來的連接組。不過得益于一項(xiàng)新的連接組研究項(xiàng)目，我們現(xiàn)在已經(jīng)有了！

此外，我還希望能有更多不同的連接組，這樣我們就能搞清楚：不同果蠅之間的神經(jīng)連接到底有多大差異？順著這個(gè)思路，如果能看看連接組怎么隨性別、年齡或生活經(jīng)歷而變化，那肯定非常有意思。這些對(duì)比能讓我們看到大腦連接的靈活性，也能揭示是不是某些神經(jīng)環(huán)路比其他的更具可塑性。

布拉德利?迪克森

Bradley Dickerson

普林斯頓大學(xué)助理教授

的研究重點(diǎn)是探討如何通過精確的感官輸入來構(gòu)建運(yùn)動(dòng)輸出。為此，他們研究果蠅的飛行控制電路。實(shí)驗(yàn)室將注意力集中在果蠅特有的結(jié)構(gòu)上，稱為平衡棒，它們充當(dāng)雙功能陀螺儀，幫助構(gòu)建翅膀運(yùn)動(dòng)。

FlyWire對(duì)您的研究產(chǎn)生了怎樣的影響？

布拉德利?迪克森：FlyWire直接啟發(fā)了一項(xiàng)新的合作。我在尚帕利莫德未知中心（Champalimaud Centre for the Unknown）的同事尤金妮亞?恰佩（Eugenia Chiappe）主動(dòng)聯(lián)系了我，她的實(shí)驗(yàn)室一直在用 FlyWire 進(jìn)行神經(jīng)元重建，還發(fā)現(xiàn)了一些接收平衡棒信號(hào)的神經(jīng)元。平衡棒是果蠅身上一個(gè)對(duì)飛行控制至關(guān)重要的小結(jié)構(gòu)，而這正是我實(shí)驗(yàn)室當(dāng)前的研究方向。

我們認(rèn)識(shí)有一段時(shí)間了，一直等著一個(gè)合作契機(jī)，這次發(fā)現(xiàn)恰好提供了完美的機(jī)會(huì)。這也是 FlyWire 最令人興奮的一點(diǎn)：它不只是一個(gè)能幫你把假設(shè)落到實(shí)處的工具，當(dāng)你在連接組里隨意探索時(shí)，經(jīng)常會(huì)突然發(fā)現(xiàn)一些東西，讓你脫口而出 “哦，我認(rèn)識(shí)研究這個(gè)的人”。 于是你發(fā)個(gè)消息過去，聊著聊著，一項(xiàng)全新的合作就開始了。

FlyWire為果蠅神經(jīng)科學(xué)領(lǐng)域帶來了什么？

布拉德利?迪克森：FlyWire提供的分辨率，讓我們發(fā)現(xiàn)了許多此前從未預(yù)料到的神經(jīng)元間連接與腦區(qū)關(guān)聯(lián)，這太讓人振奮了。但我認(rèn)為，除了果蠅神經(jīng)科學(xué)領(lǐng)域之外，F(xiàn)lyWire對(duì)整個(gè)神經(jīng)科學(xué)領(lǐng)域而言，都是一個(gè)至關(guān)重要的研究支架。

這種神經(jīng)元連接的高分辨率，能讓我們構(gòu)建出極為詳細(xì)的計(jì)算模型。有了這些數(shù)據(jù)，我們現(xiàn)在能看到模型在哪些地方失效——這會(huì)引出新的問題：這一現(xiàn)象是否暗示了神經(jīng)環(huán)路某種獨(dú)特的運(yùn)作方式？或者，我們也能看到“模型跑通了，但生物體卻做不到”的反直覺情況。FlyWire為理解神經(jīng)環(huán)路功能提供了一種極具說服力的思路。它對(duì)果蠅神經(jīng)科學(xué)領(lǐng)域的影響固然巨大，但我認(rèn)為，它也深刻改變了我們開展神經(jīng)科學(xué)研究的整體思路。

未來您希望看到哪些新工具、新分析方法或補(bǔ)充圖譜？

布拉德利?迪克森：目前我們已經(jīng)有了幾個(gè)果蠅連接組，但其中仍有一些我們希望補(bǔ)充的信息，比如電突觸。但我覺著我們并不需要搞出 70個(gè)果蠅連接組來。

現(xiàn)在人們對(duì)蚊子等其他動(dòng)物的興趣越來越濃，或許擁有其他相關(guān)生物的連接組會(huì)對(duì)研究更有幫助。幾年前發(fā)表的一項(xiàng)研究讓我們了解到，蚊子的嗅覺系統(tǒng)與果蠅的差異很大。如果我們能對(duì)比黑腹果蠅與蚊子、食蚜蠅或麗蠅的神經(jīng)連接，會(huì)怎么樣？這能讓我們從進(jìn)化層面提出問題，在這些不同生物的神經(jīng)環(huán)路中，哪些功能和結(jié)構(gòu)是保守不變的？哪些又發(fā)生了演化？去思考不同果蠅科生物的中樞神經(jīng)系統(tǒng)如何組織、又有何差異，這本身就是一個(gè)極其迷人的方向。

瑪爾塔?科斯塔

Marta Costa

劍橋大學(xué)動(dòng)物學(xué)系果蠅連接組的高級(jí)研究員兼項(xiàng)目負(fù)責(zé)人

該項(xiàng)目成立于 2016 年 10 月，旨在構(gòu)建果蠅成蟲嗅覺連接組，描述參與嗅覺行為的每一個(gè)神經(jīng)元及其連接。該項(xiàng)目成員來自英國的劍橋、牛津和美國的珍利亞農(nóng)場(chǎng)研究園區(qū)和佛蒙特大學(xué)。該項(xiàng)目旨在利用首個(gè)電子顯微鏡全腦數(shù)據(jù)集，聚焦于先天和學(xué)習(xí)性嗅覺行為相關(guān)的通路和神經(jīng)細(xì)胞。

您的實(shí)驗(yàn)室如何在研究中利用FlyWire連接組數(shù)據(jù)？

瑪爾塔?科斯塔：我們團(tuán)隊(duì)的核心研究方向正是連接組構(gòu)建——我們本身也是FlyWire的貢獻(xiàn)者之一。目前我們正在構(gòu)建雄性果蠅中樞神經(jīng)系統(tǒng)連接組，而FlyWire連接組在助力我們識(shí)別雌雄果蠅腦內(nèi)二態(tài)性差異方面，起到了關(guān)鍵作用。在日常研究中，我們會(huì)大量借助FlyWire連接組中的注釋信息：給雄性中樞神經(jīng)系統(tǒng)的神經(jīng)元分型、識(shí)別兩組數(shù)據(jù)（雌雄）中神經(jīng)連接性的差異，以及探究這些性別特異性神經(jīng)元和二態(tài)性神經(jīng)元可能產(chǎn)生的影響。

未來您希望看到哪些新工具、新分析方法或補(bǔ)充圖譜？

瑪爾塔?科斯塔：目前主要有兩方面需求。第一，我們需要技術(shù)突破來加速人工校對(duì)流程。這仍是當(dāng)前構(gòu)建連接組的核心瓶頸。一旦校對(duì)速度有所提升，那些不專門以生成連接組為核心任務(wù)的研究團(tuán)隊(duì)，也將更有能力構(gòu)建完整或部分連接組。這類“部分連接組”可針對(duì)那些實(shí)驗(yàn)室中經(jīng)過行為訓(xùn)練和測(cè)試的果蠅，只需聚焦腦內(nèi)特定區(qū)域即可。這樣一來，我們就能將觀察到的行為與該果蠅個(gè)體的神經(jīng)連接性直接關(guān)聯(lián)。而實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)的關(guān)鍵，就是減少校對(duì)所需的工作量。

第二，構(gòu)建完整的雌性果蠅中樞神經(jīng)系統(tǒng)圖譜至關(guān)重要。目前我們已有的雌性果蠅腹神經(jīng)索連接組，僅完成了部分校對(duì)工作。我們?nèi)狈σ粋€(gè)完全校對(duì)完畢的版本來與雄性數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)標(biāo)，因此也就難以全面掌握中樞神經(jīng)系統(tǒng)中的性別二態(tài)性全貌。

卡特琳娜?艾希勒

Katharina Eichler

萊比錫大學(xué)生物系的青年研究組長

她的實(shí)驗(yàn)室利用比較連接組學(xué)方法，研究果蠅不同發(fā)育階段、性別和物種中神經(jīng)元回路的發(fā)展和進(jìn)化。發(fā)表有nature論文“Comparative connectomics of Drosophila descending and ascending neurons” 。

您的實(shí)驗(yàn)室如何在研究中利用FlyWire連接組數(shù)據(jù)？

卡特琳娜?艾希勒：我們的核心研究方向是連接組對(duì)比。目前我們正在處理一個(gè)全新的數(shù)據(jù)集：黑腹果蠅的近緣物種——雅克布果蠅（Drosophila yakuba）的神經(jīng)索。由于我們研究的是新數(shù)據(jù)集，需要以FlyWire 等連接組作為參考，才能實(shí)現(xiàn)近緣物種間神經(jīng)元的匹配。我們會(huì)觀察神經(jīng)元的形態(tài)、神經(jīng)元間的連接方式，再通過對(duì)比不同數(shù)據(jù)集的神經(jīng)連接性，尋找物種間的差異。

FlyWire如何改變了果蠅神經(jīng)科學(xué)研究？

卡特琳娜?艾希勒：我認(rèn)為在連接組出現(xiàn)之前，研究大多是在“盲目探索”。過去，研究者會(huì)使用轉(zhuǎn)基因Gal4果蠅，一種能讓我們調(diào)控神經(jīng)元活性的遺傳工具，來激活或抑制神經(jīng)元，進(jìn)而觀察果蠅會(huì)出現(xiàn)或缺失哪些行為。那時(shí)，研究者必須通過大規(guī)模篩選這類果蠅品系，才能找到那些可能參與行為調(diào)控的神經(jīng)元。而現(xiàn)在有了連接組，我們需要測(cè)試的神經(jīng)元范圍大大縮小，因?yàn)槲覀円呀?jīng)知道這些神經(jīng)元的連接關(guān)系。比如你發(fā)現(xiàn)某個(gè)神經(jīng)元有特定功能，想找到更多參與該行為的神經(jīng)元，只需在連接組中檢索，再針對(duì)性篩選對(duì)應(yīng)的遺傳品系就行。這極大地節(jié)省了實(shí)驗(yàn)室的研究時(shí)間和資源消耗。

北藤一仁

Hokto Kazama

理化學(xué)研究所腦科學(xué)中心的團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人

他的實(shí)驗(yàn)室致力于研究感官引導(dǎo)行為背后的計(jì)算和神經(jīng)機(jī)制，尤其關(guān)注嗅覺行為。他結(jié)合大規(guī)模成像、電生理學(xué)、虛擬現(xiàn)實(shí)中的行為分析以及建模來實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)。發(fā)表有Cell論文“Distinct circuit motifs evaluate opposing innate values of odors”。

果蠅連接組數(shù)據(jù)對(duì)該領(lǐng)域及您的工作產(chǎn)生了怎樣的影響？

北藤一仁：首先，果蠅連接組數(shù)據(jù)極大地推動(dòng)了“發(fā)現(xiàn)特定計(jì)算過程背后環(huán)路機(jī)制”的研究進(jìn)程。一個(gè)典型例子是對(duì)中央復(fù)合體中“頭部方向表征環(huán)路”的解析[6]：長期以來，理論學(xué)家一直預(yù)測(cè)存在一種叫“環(huán)形吸引子網(wǎng)絡(luò)”的結(jié)構(gòu)，它能讓大腦產(chǎn)生獨(dú)特的頭部方向感。但直到有了連接組數(shù)據(jù)，研究者才終于在中央復(fù)合體中精準(zhǔn)定位到了這個(gè)網(wǎng)絡(luò)。

其次，連接組能幫助研究者生成研究假設(shè)，進(jìn)而獲得關(guān)于環(huán)路中神經(jīng)元功能的新見解。在我們最新的一項(xiàng)研究中[7]，發(fā)現(xiàn)局部抑制神經(jīng)元的輸出，對(duì)果蠅嗅覺系統(tǒng)高階區(qū)域“陽性氣味檢測(cè)”（好聞的氣味）至關(guān)重要。要知道，這個(gè)區(qū)域既沒有分層，也沒有柱狀或嗅小球這類顯著的解剖結(jié)構(gòu)，等如果沒有連接組數(shù)據(jù)，我們根本無法發(fā)現(xiàn)這種局部連接模式。

未來您希望看到哪些新工具、新分析方法或補(bǔ)充圖譜？

北藤一仁：目前該領(lǐng)域的研究重點(diǎn)仍集中在分析網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)特征，但我們還需要理解網(wǎng)絡(luò)中神經(jīng)活動(dòng)的處理機(jī)制，這需要大規(guī)模的神經(jīng)活動(dòng)記錄與模擬技術(shù)支持。因此，未來我希望看到的不僅是靜態(tài)的環(huán)路圖譜，更能有動(dòng)態(tài)的環(huán)路圖譜。

金成洙

Sung Soo Kim

加州大學(xué)圣巴巴拉分校助理教授

加州大學(xué)圣芭芭拉分校分子、細(xì)胞與發(fā)育生物學(xué)系的助理教授。他的實(shí)驗(yàn)室使用果蠅來研究神經(jīng)回路如何將感覺信息轉(zhuǎn)化為指導(dǎo)導(dǎo)航和復(fù)雜行為的內(nèi)部表征。代表作有：“Connectomic reconstruction predicts visual features used for navigation” | Nature；“Generation of stable heading representations in diverse visual scenes” | Nature；“Ring attractor dynamics in the Drosophila central brain” | Science

您的實(shí)驗(yàn)室如何在研究中利用FlyWire連接組數(shù)據(jù)？

金成洙：我們的研究聚焦于感覺處理與認(rèn)知的界面，具體來說，是探索飛行過程中視覺信息如何轉(zhuǎn)化為果蠅的方向感。

我的實(shí)驗(yàn)室從2019年FlyWire早期階段就開始使用它。我們借助這些數(shù)據(jù)，重建了通往中央復(fù)合體的視覺通路。我們繪制出了從視葉到中央復(fù)合體的神經(jīng)元連接圖譜，并用來研究環(huán)神經(jīng)元的神經(jīng)反應(yīng)。這些環(huán)神經(jīng)元與編碼果蠅方向感的羅盤神經(jīng)元相連。我們想知道這些環(huán)神經(jīng)元能識(shí)別哪些視覺特征，而通過這份連接圖譜，我們可以預(yù)測(cè)環(huán)神經(jīng)元的功能；目前我們正使用雙光子鈣成像和其他計(jì)算模型來驗(yàn)證這些預(yù)測(cè)。

?清晰呈現(xiàn)：金成洙的實(shí)驗(yàn)室已利用連接組，繪制出果蠅視覺系統(tǒng)中的環(huán)神經(jīng)元。由Benjamin Gorko提供。

未來您希望看到哪些新工具、新分析方法或補(bǔ)充圖譜？

金成洙：基于電子顯微鏡（EM）的連接組數(shù)據(jù)非常出色。借助EM數(shù)據(jù)，只要觀察解剖學(xué)數(shù)據(jù)，就能確認(rèn)兩個(gè)神經(jīng)元之間是不是真有連接，不存在任何歧義。但目前的挑戰(zhàn)在于，我們難以確定這些神經(jīng)元實(shí)際釋放的是何種物質(zhì)。雖然已有一些預(yù)測(cè)神經(jīng)遞質(zhì)釋放的算法，但目前它們的準(zhǔn)確性并不穩(wěn)定。這些算法可作為有用的起點(diǎn)，能預(yù)測(cè)某個(gè)神經(jīng)元是谷氨酸能、膽堿能還是其他類型。但如果神經(jīng)元主要釋放的化學(xué)物質(zhì)是神經(jīng)肽，唯一的驗(yàn)證方法就是進(jìn)行單細(xì)胞RNA測(cè)序，這是一項(xiàng)極具挑戰(zhàn)性且耗時(shí)的技術(shù)活。所以，我認(rèn)為連接組領(lǐng)域的下一大步，是繪制出化學(xué)連接組。這將是一項(xiàng)非常了不起的成果。

卡羅琳娜?雷薩瓦爾

Carolina Rezaval

伯明翰大學(xué)神經(jīng)遺傳學(xué)教授

她的研究小組研究動(dòng)物在沖突情境中如何做決策。以果蠅 Drosophila 為模型，她的實(shí)驗(yàn)室結(jié)合先進(jìn)的遺傳學(xué)、回路繪制、行為測(cè)定和體內(nèi)功能成像技術(shù)，揭示大腦如何評(píng)估和優(yōu)先處理沖突動(dòng)機(jī)——例如進(jìn)食與逃跑或威脅與獎(jiǎng)勵(lì)。發(fā)表有Nature論文“Mating proximity blinds threat perception” 。

您的實(shí)驗(yàn)室如何在研究中利用FlyWire連接組數(shù)據(jù)？

卡羅琳娜?雷薩瓦爾：我們實(shí)驗(yàn)室主要研究動(dòng)物在面臨兩難選擇（例如是逃離危險(xiǎn)還是獲取食物）時(shí)，該如何優(yōu)先選擇行為，以及這些決策如何受內(nèi)部狀態(tài)、過往經(jīng)驗(yàn)和社交環(huán)境的影響。我們工作的核心方向之一，是理解多巴胺在調(diào)節(jié)風(fēng)險(xiǎn)承擔(dān)、動(dòng)機(jī)和行為靈活性中的作用。

在近期發(fā)表于《自然》（Nature）的論文中[8]，我們發(fā)現(xiàn)雄性果蠅在求偶過程中，多巴胺活性會(huì)逐漸增強(qiáng)，這能幫助它們忽略視覺威脅，專注于交配行為。盡管在哺乳動(dòng)物中，多巴胺常與獎(jiǎng)賞預(yù)期相關(guān)，但我們發(fā)現(xiàn)，在果蠅體內(nèi)它更像一種“感覺過濾器”——通過過濾干擾信息，讓果蠅能專注于目標(biāo)行為。

我們借助FlyWire和neuPrint（神經(jīng)連接組數(shù)據(jù)分析工具），追蹤了視覺威脅通路，并識(shí)別出在“行為權(quán)衡”過程中可能被多巴胺調(diào)節(jié)的下游神經(jīng)元。接下來，我們將利用連接組數(shù)據(jù)尋找 “新型整合神經(jīng)元”——這類神經(jīng)元既能接收感覺輸入，也能接收神經(jīng)調(diào)節(jié)信號(hào)。這將為闡明 “社交環(huán)境如何改變這些神經(jīng)節(jié)點(diǎn)活性”提供基礎(chǔ)。

未來您希望看到哪些新工具、新分析方法或補(bǔ)充圖譜？

卡羅琳娜?雷薩瓦爾：首先，能直觀估算突觸權(quán)重的新工具、疊加到FlyWire上的受體表達(dá)數(shù)據(jù)，或是神經(jīng)環(huán)路活性的動(dòng)態(tài)模擬工具，都將具有變革性意義。

其次，我也希望能有跨發(fā)育階段或不同行為狀態(tài)的對(duì)比圖譜，這將幫助闡明在學(xué)習(xí)或社交經(jīng)驗(yàn)過程中，神經(jīng)連接與功能如何協(xié)同進(jìn)化。

此外，我們還需要提升數(shù)據(jù)庫間的標(biāo)準(zhǔn)化程度，包括統(tǒng)一的神經(jīng)元識(shí)別標(biāo)準(zhǔn)，這樣能更輕松地找到針對(duì)特定神經(jīng)元的遺傳驅(qū)動(dòng)系。

最后，若能有更進(jìn)階的FlyWire使用培訓(xùn)研討會(huì)（尤其聚焦于連接模式搜索、自定義查詢，以及分子或功能數(shù)據(jù)的整合），也將為研究帶來很大幫助。

阿德里安?羅滕弗盧

Adrian Rothenfluh

猶他大學(xué)精神病學(xué)教授

專注于精神疾病的遺傳學(xué)，特別是成癮。他的實(shí)驗(yàn)室使用果蠅來模擬各種神經(jīng)精神疾病，并研究介導(dǎo)行為的分子、信號(hào)傳導(dǎo)和神經(jīng)元機(jī)制。他的實(shí)驗(yàn)室持續(xù)致力于將研究成果轉(zhuǎn)化為人類研究。他的實(shí)驗(yàn)室以果蠅為模式生物，研究成癮相關(guān)行為的分子和回路機(jī)制。

您的實(shí)驗(yàn)室如何在研究中利用FlyWire連接組數(shù)據(jù)？

阿德里安：我們實(shí)驗(yàn)室主要研究成癮的遺傳學(xué)與分子機(jī)制。我個(gè)人大概每周會(huì)使用2-3 次FlyWire。如果發(fā)現(xiàn)與研究行為相關(guān)的特定神經(jīng)元，我們會(huì)通過它了解這些神經(jīng)元的輸入、輸出信息，以及最可能釋放的神經(jīng)遞質(zhì)。

作為研究成癮的學(xué)者，我也很關(guān)注“動(dòng)機(jī)”。實(shí)驗(yàn)室目前有一個(gè)研究項(xiàng)目，設(shè)置了“行為沖突場(chǎng)景”：讓果蠅在“低付出 - 低獎(jiǎng)勵(lì)”和“高付出 - 高獎(jiǎng)勵(lì)” 兩個(gè)選項(xiàng)中做選擇。我們感興趣的是，能否將這些行為決策與大腦的兒茶酚胺能調(diào)節(jié)關(guān)聯(lián)起來，而FlyWire數(shù)據(jù)正是我們?yōu)檫@個(gè)項(xiàng)目提出研究假設(shè)的重要支撐。

未來您希望看到哪些新工具、新分析方法或補(bǔ)充圖譜？

阿德里安：我認(rèn)為目前最需要的，是讓連接組與現(xiàn)有其他工具實(shí)現(xiàn)更好的整合。比如，當(dāng)你發(fā)現(xiàn)某個(gè)神經(jīng)元可能影響目標(biāo)行為，想對(duì)其進(jìn)行調(diào)控時(shí)，會(huì)用到NeuronBridge這類數(shù)據(jù)庫——它儲(chǔ)存了不同Gal4品系（遺傳驅(qū)動(dòng)系）的已有染色數(shù)據(jù)，你可以從中篩選合適的品系開展實(shí)驗(yàn)。如果能將NeuronBridge與FlyWire這類工具整合，研究者就能更輕松地弄清楚自己所選的Gal4品系與連接組之間的關(guān)聯(lián)，大幅提升研究效率。

佩林?沃爾坎

PelinVolkan

杜克大學(xué)神經(jīng)生物學(xué)和細(xì)胞生物學(xué)副教授

她領(lǐng)導(dǎo)著神經(jīng)遺傳學(xué)實(shí)驗(yàn)室。該實(shí)驗(yàn)室的主要學(xué)術(shù)重點(diǎn)是揭示社會(huì)經(jīng)歷如何通過分子和回路機(jī)制塑造生物體的腦部和反應(yīng)。她和她的團(tuán)隊(duì)以果蠅神經(jīng)系統(tǒng)為模型來研究這些現(xiàn)象，并采用跨學(xué)科方法，整合遺傳學(xué)、行為學(xué)、回路繪制和系統(tǒng)級(jí)分子工具。她最近的研究深入探討了社會(huì)經(jīng)歷對(duì)大腦和行為的影響，辨別了這些反應(yīng)在不同個(gè)體和同種物種品系中的差異。總體而言，她的工作旨在揭示社會(huì)經(jīng)歷如何改變轉(zhuǎn)錄程序，從而指導(dǎo)大腦結(jié)構(gòu)和功能的適應(yīng)性變化，這些變化是應(yīng)對(duì)社會(huì)隔離的行為和生理反應(yīng)的基礎(chǔ)。發(fā)表有“Two chemosensory receptors together mediate carbon dioxide detection in Drosophila” | Nature；“Hybrid neurons in a microRNA mutant are putative evolutionary intermediates in insect CO2 sensory systems” | Science。

您的實(shí)驗(yàn)室如何在研究中利用FlyWire連接組數(shù)據(jù)？

佩林?沃爾坎：我們實(shí)驗(yàn)室主要研究外周神經(jīng)系統(tǒng)如何感知社會(huì)環(huán)境，以及社會(huì)經(jīng)驗(yàn)如何通過改變基因表達(dá)來重塑大腦功能與行為。我們對(duì)調(diào)控信息素檢測(cè)的神經(jīng)環(huán)路尤為關(guān)注，借助連接組，我們正逐步搞清這些環(huán)路是如何傳遞社會(huì)信息的，以及它們?nèi)绾悟?qū)動(dòng)大腦發(fā)生轉(zhuǎn)錄和細(xì)胞層面的變化。在今年早些時(shí)候發(fā)表的一篇預(yù)印本中[9]，我們發(fā)現(xiàn)：社會(huì)經(jīng)驗(yàn)會(huì)通過調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)錄級(jí)聯(lián)反應(yīng)，改變大腦中晝夜節(jié)律基因的表達(dá)與功能，最終影響行為。

此外，我還在神經(jīng)科學(xué)本科實(shí)驗(yàn)課中使用連接組。課堂上，我會(huì)教學(xué)生利用連接組繪制5條不同的嗅覺環(huán)路——其中3條與吸引性嗅覺相關(guān)，2條與排斥性嗅覺相關(guān)；我們會(huì)從通路的多個(gè)層面分析這些環(huán)路，尋找它們共有的連接模式。

未來您希望看到哪些新工具、新分析方法或補(bǔ)充圖譜？

佩林?沃爾坎：我們急需把單細(xì)胞RNA測(cè)序數(shù)據(jù)，疊加到一個(gè)注釋完整的連接組上。目前，我們團(tuán)隊(duì)已獲取“無果”（fruitless）基因表達(dá)神經(jīng)元的單細(xì)胞RNA測(cè)序數(shù)據(jù)[10]，這個(gè)基因參與調(diào)控果蠅的求偶行為及性別特異性行為，我們還研究了該環(huán)路中基因表達(dá)如何響應(yīng)社會(huì)經(jīng)驗(yàn)發(fā)生變化。在這些神經(jīng)元中，部分因群體飼養(yǎng)而被激活或發(fā)生轉(zhuǎn)錄改變的神經(jīng)元，已在連接組中完成注釋，但還有一部分尚未注釋。

如果所有這類神經(jīng)元都能得到注釋，且單細(xì)胞RNA測(cè)序數(shù)據(jù)能與連接組疊加，我們就能輕松追蹤所有相連的神經(jīng)元，并根據(jù)環(huán)路內(nèi)的基因表達(dá)變化，確定哪些神經(jīng)通路被激活。這對(duì)于繪制 “響應(yīng)不同社會(huì)環(huán)境、驅(qū)動(dòng)大腦與行為適應(yīng)性變化的神經(jīng)元集群” 相關(guān)環(huán)路，價(jià)值不可估量。

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[2] DALLMANN C J, LUO Y, AGRAWAL S, et al. Selective presynaptic inhibition of leg proprioception in behaving Drosophila[J]. Nature, 2025, 647(8089): 445-453.
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[4] WALKER S R, PE?A-GARCIA M, DEVINENI A V. Connectomic analysis of taste circuits in Drosophila[J]. Scientific Reports, 2025, 15(1): 5278.
[5] WALKER S R, PE?A-GARCIA M, DEVINENI A V. Connectomic analysis of taste circuits in Drosophila[J]. Scientific Reports, 2025, 15(1): 5278.
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