Google Research 與霍華休斯醫學研究所（HHMI）Janelia 研究園區及其合作夥伴攜手，發表了完整的雄性果蠅大腦及中樞神經系統圖譜，這是迄今為止規模最大的大腦圖譜。結合目前對魚類和小鼠等其他物種的持續研究，這些神經網路圖譜正開始揭示所有大腦的運作機制。

常見的黑腹果蠅（Drosophila melanogaster）一直是科學研究的核心，並促成了多項諾貝爾獎。由於其典型的行為和短暫的生命週期，果蠅一直是遺傳學領域的基礎模型生物，並有望在神經科學領域發揮同樣的作用。儘管這種喜愛水果的昆蟲的思維似乎與人類認知相去甚遠，但差異巨大的物種之間的大腦卻有許多相似之處。

由於目前尚無法繪製人類大腦中 860 億個神經元，科學家們正利用 AI 來繪製果蠅等較小生物的大腦圖譜。這將幫助我們解讀動物神經系統如何感知世界、對刺激做出反應，以及受損的神經通路未來可能如何修復。現在，在霍華休斯醫學研究所（HHMI）Janelia 研究園區主導的一個專案中，我們的團隊和合作夥伴發布了雄性果蠅大腦和中樞神經系統的完整神經網路圖。

這項發表在《Cell》期刊上的研究，題為「果蠅雄性中樞神經系統完整連結體中的性別二態性」，是長達十年合作的成果。它利用運算和 AI 技術，建立了細胞尺度的完整大腦圖譜，推進了連結體學領域的發展。這張圖譜包含超過 166,000 個神經元和 1.25 億個突觸連接，是迄今為止神經元數量最多的大腦圖譜，為科學家將果蠅作為研究大腦運作方式的模型生物提供了基礎資源。

雄性果蠅的連結體還包括腹神經索，這類似於脊髓，因此研究範圍從大腦本身擴展到大腦如何控制身體。這張雄性果蠅連結體圖譜已經由 HHMI Janelia 的人類專家團隊進行了註釋和驗證（或校對）。研究人員可以透過 Neuroglancer 檢視、探索和下載它，這是一個由 Google 開發的開源工具，旨在幫助研究人員視覺化龐大的多維資料集。

這張新的大腦圖譜補充了先前發布的雌性果蠅大腦圖譜，以及最近發布的完整雌性果蠅大腦和神經索圖譜。擁有雄性和雌性大腦及中樞神經系統的圖譜，可以比較兩者神經元差異的區域，並用於研究果蠅求偶和攻擊行為的生物學機制。

在兩性大腦相似的部分，擁有兩張完整的果蠅連結體圖譜將使研究人員能夠開始觀察個體之間的變異性。

大腦繪圖，或稱連結體學，首先將大腦切成數百萬個薄片，對每個切片成像，然後利用電腦和 AI 將這些圖像拼接起來。我們的研究人員建立利用 AI 將平面電子顯微鏡圖像轉換為 3D 重建的系統，並採用不斷演進的技術來生成精確的神經形狀。

我們的 AI 連結體學工具包括「洪水填充網路」（flood-filling networks），它利用卷積神經網路從單一像素開始，識別屬於同一物件的所有其他像素。2019 年，我們的連結體學團隊發布了雌性果蠅大腦的初步全自動重建圖。到 2020 年，我們的團隊和合作夥伴發布了半個雌性果蠅大腦的人工驗證圖譜，包含 25,000 個神經元和 2,100 萬個連接，當時創下了紀錄。

同時，團隊已經在開發完整的雄性果蠅大腦驗證圖譜，現已完成。這些方法持續改進。最近的一項工作將合成神經元納入訓練資料，成功提高了我們最先進的重建系統 PATHFINDER 的速度和準確性。我們也正在協助開發標記和註釋特定類型神經元的新技術。

目前，繪製果蠅大腦圖譜僅驗證和註釋神經形狀就需要數年的人力。透過減少對手動錯誤校正的需求，研究團隊可以在合理的預算和時間範圍內，處理更大規模的大腦繪圖專案。

連結體學領域已經進展到脊椎動物：即擁有脊髓的生物。這些生物在解剖學、演化和功能上都與人類更為相似。在本週由哥倫比亞大學主導並發表在《Nature》期刊上的一項研究中，我們的團隊協助繪製了象鼻魚後腦中用於訊號處理的部分。

這篇題為「用於感覺預測的小腦狀迴路連結體分析」的論文，首次展示了連結體（一種靜態資源）如何與其他資訊結合，以研究神經可塑性和學習，產生了迄今為止最完整的脊椎動物大腦學習機制模型。斑馬魚幼體是少數幾種大腦足夠小，可以使用現有技術從頭到尾繪製圖譜的脊椎動物。

斑馬魚在幼體階段也具有透明的優勢，可以在實驗中測量神經活動，如 ZAPBench 資料集所捕捉。我們即將與哈佛大學合作發表的論文「斑馬魚幼體大腦神經目錄和迴路解剖的連結體資源」，是第一個包含整個脊椎動物大腦神經結構和分子類型的脊椎動物全腦資料集。我們的團隊也發布了一個初步版本的資料集，結合了同一斑馬魚幼體大腦中的神經活動和結構，作為研究社群的開放資源。

雄性果蠅連結體是一項基礎資源，將支持實驗神經科學的新時代，未來在生物學、藥學和醫學領域都有應用潛力。今天發布的三篇配套論文展示了雄性果蠅連結體如何已被用於視覺系統、味覺和社交行為的神經科學研究。

這裡開發的方法也將有助於推進其他專案，例如即將完成校對的斑馬魚大腦圖譜，以及小鼠大腦部分區域的繪製。儘管模擬人類大腦中 860 億個神經元仍遙不可及，但我們正朝著揭示大腦如何運作，並理解阿茲海默症、憂鬱症或精神分裂症等精神疾病背後過程的方向邁進。

有朝一日，我們希望這些努力能帶來治療認知疾病、改善大腦健康和支持大腦修復的新方法。

我們感謝 HHMI Janelia 及其他學術合作夥伴，並認可 Google 連結體學團隊的核心貢獻。我們感謝 Hannah Hickey 和 Elise Kleeman 的幫助。同時感謝 Lizzie Dorfman、Michael Brenner、John Platt 和 Yossi Matias 的支持、協調和領導。