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研究人员在笔记本电脑上模拟了整个苍蝇大脑
科学家通过模拟果蝇大脑，预测神经活动，未来或可用来研究人类脑部疾病。
科学家们通过数字化地图构建了完整的果蝇大脑，Phil Shiu 决定将这一由139,255个神经元和5000万连接组成的复杂电路模拟到计算机中。让人惊讶的是，这个能在笔记本电脑上运行的模拟模型非常准确地预测了果蝇大脑对刺激的反应。
Shiu 和他的团队在《自然》杂志上发表了他们的研究成果，指出该模型可以准确预测果蝇在味觉和触觉刺激下的神经元激活情况。通过模拟果蝇对糖或水的感知，该模型预测特定的神经元会触发果蝇伸出口器并开始进食。实验结果证实了这一点。此外，模拟触角神经元的激活时，模型预测了果蝇会使用腿部进行清洁的行为，这也与实际情况一致。
未来，Shiu 希望将这一模型扩展到更复杂的大脑，目标是小鼠的大脑连接组，最终实现人类大脑的模拟。他表示，模拟人类大脑或将为理解各种脑部疾病的成因提供关键洞见。
该研究是 FlyWire 联盟耗时10年的国际合作成果，由7,000个果蝇脑部切片组成的连接组通过电子显微镜成像和 AI 注解而成。这一模型不仅为理解果蝇和其他大脑提供了帮助，还可能应用于人工智能和机器学习领域，推动新一代 AI 的发展。
不过，Shiu 强调，目前的模型还比较简单，未来将通过更复杂的神经元建模来提升预测的准确度。他相信，未来将能通过类似方法，理解人类大脑的工作机制，甚至为脑部疾病的治疗提供全新思路。
FlyWire 联盟的成果不仅揭示了神经回路功能的基本原则，还可能帮助我们在更复杂的大脑中发现类似的机制。Kristin Scott 的实验室成员 Gabriella Sterne 表示，这些发现有助于形成统一的脑功能理论，并可能在理解疾病时发挥重要作用。
Shiu 指出，虽然科学家此前已经为更小的生物，比如果蝇幼虫和线虫，创建了大脑的完整图谱并进行计算机模拟，但这些模拟效果并不理想，可能是因为在这些生物体中，哪些神经元是兴奋性的，哪些是抑制性的，尚不明确。而在成年的果蝇大脑中，经过几十年的研究，这些机制已经得到了更好的理解。
此外，果蝇大脑模型为生物学家提供了一个独特的机会，可以同时研究多个感官系统和多种不同的神经回路。Shiu 提到，之前的大多数研究，像他自己早期的研究，都是单一系统的，例如研究味觉、行走或飞行的机制。而果蝇大脑的完整模型可以更全面地理解这些系统的相互作用。
尽管 Shiu 的模型相对简单，只是模拟了基本的神经元连接方式，但他发现，即使在这种“漏斗整合-触发”模型中(即神经元通过接收更多的正输入来激活)，依然可以以相当高的准确度预测神经活动。这意味着未来随着模型复杂度的提升，科学家可能会在理解大脑运作方面取得更大的突破。
Shiu 开始构建这个模型时，更多是为了理解他自己在果蝇味觉回路研究中遇到的难题。通过模拟神经元的激活，他逐渐解开了关于神经元如何相互影响的谜团。这一研究最终发展成了一项对整个科学界都有价值的资源。
FlyWire 联盟的这一成果不会是最后一个大型大脑连接组的研究，Shiu 表示，接下来小鼠大脑的完整图谱可能是研究的下一步，而相关技术也在迅速进步。他认为，只要不断提升模型的复杂性，最终将能够以类似的方法研究小鼠乃至人类大脑。
虽然距离人类大脑模型的实现还有一段路要走，但果蝇大脑模型已经为理解健康大脑以及疾病状态下的脑部活动提供了新的途径，尤其是脑部错误连接(如癫痫)相关的研究。
本文译自 Berkeley News，由 BALI 编辑发布。