Marta Zlatic 所收藏的電影,，可能世界上最乏味的,。在她位于弗吉尼亞州阿什本的實驗室里，神經(jīng)科學(xué)家們已經(jīng)存儲了超過20000小時的黑白影片,，拍攝的對象是果蠅幼蟲,。這些被拍攝的幼蟲做的是最單調(diào)的事情，例如扭動和爬行,，但這些影片可以幫助回答現(xiàn)代神經(jīng)科學(xué)中最大的問題之一：大腦的“回路”如何創(chuàng)造行為,。

這是神經(jīng)科學(xué)領(lǐng)域的一個主要目標(biāo)：了解神經(jīng)元是如何連接，信號是如何通過網(wǎng)絡(luò)傳播,，以及這些信號是如何協(xié)同工作,，為動物進行方向?qū)Ш健⒆鰶Q策,，或讓人類得以表達情感,，創(chuàng)造意識。

在最單調(diào)的情況下——有普通的照明,，沒有感官線索,，它們也不感到饑餓”——Zlatic 說，這些果蠅幼蟲可以做30個不同的動作,，包括收縮,，轉(zhuǎn)頭，滾動等,。產(chǎn)生這些動作的是它們僅有15000個神經(jīng)元的大腦,。這與人腦的860億神經(jīng)元相比簡直是毛毛雨，這也是 Zlatic 和她的隊友喜歡這種幼蟲的原因之一,。

“目前來說,，果蠅幼蟲是最好的研究對象?！盳latic 的合作研究者,，同時也是她的丈夫的 Albert Cardona 說：“如果可以得到大腦神經(jīng)元的接線圖，對于了解中樞神經(jīng)系統(tǒng)如何工作是很好的起點,?！?/p>

Zlatic 和 Cardona 領(lǐng)導(dǎo)著分布在世界各地的數(shù)十個組織中的兩個，這些組織正在為模型生物（model organisms）的大腦生成詳細的接線圖,。在過去幾年里,，用于切割大腦和跟蹤其關(guān)系的新工具和技術(shù)已經(jīng)取得進展。并且所得到的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)圖令人驚喜——例如,，大腦可以以多種方式使用一個網(wǎng)絡(luò)來創(chuàng)建相同的行為,。

但是,，即使想了解最簡單的回路（比 Zlatic 的幼蟲更小數(shù)量級），也會面臨許多挑戰(zhàn),。不同動物的神經(jīng)回路的布局和功能都不同,。這些系統(tǒng)非常冗余，難以說某一回路具有某一功能,。此外,，單獨的線路也不能完全解釋這些回路如何產(chǎn)生行為; 必須考慮其他因素，例如神經(jīng)化學(xué)物質(zhì),。

科學(xué)家們開始檢測可能在更復(fù)雜的大腦中運行的簡單回路的模式,。“這就是我們希望得到的,，”馬薩諸塞州波士頓哈佛醫(yī)學(xué)院神經(jīng)科學(xué)家 Willie Tobin 說：“發(fā)現(xiàn)一般原則可以幫助我們理解更大的系統(tǒng),。”

大腦回路的訓(xùn)練：被切為兩半的大腦不盡相同,，但功能不變

科學(xué)家擁有完整回路圖的最簡單的大腦是線蟲蠕蟲（Caenorhabditis elegans）, 其僅僅擁有300個神經(jīng)元,。它的連接體（connectome），也就是每一個神經(jīng)連接的地圖,，在20世紀(jì)80年代繪制完成了,。但是仔細觀察那些指導(dǎo)行動的連接是困難的。一些神經(jīng)科學(xué)家對蠕蟲大腦與更大的腦結(jié)構(gòu)擁有相同的工作方式表示懷疑,。

這就是為什么許多像Zlatic一樣的人,，轉(zhuǎn)向依靠生物實驗室的另一個無脊椎動物——果蠅進行研究。果蠅幼蟲足夠復(fù)雜,，可以展示出一些有趣的行為,，但是因為它的神經(jīng)元足夠少，使得繪制果蠅大腦回路項目成為可行,。此外,，Zlatic和她的同事還有一套技術(shù),，如光遺傳學(xué),，其中光敏蛋白質(zhì)可用于控制或監(jiān)測神經(jīng)元的活動。

Zlatic和Cardona正在開發(fā)用于收集果蠅幼蟲大腦高分辨率橫截面圖像的方法,，并且將從段到節(jié)地追蹤所有連接的艱巨過程自動化,。然后，通過在”地圖”上,，匹配行為和活動模式,，團隊可以找出哪些回路影響了哪些行為。

例如,，一個難題就是大腦在兩個競爭行為之間如何選擇,。去年,， Cardona, Zlatic和他們的團隊跟蹤回路，讓蛆在面對一陣煩人的空氣,，在縮頭或彎曲身體之間選擇（同一動物,，吹氣兩次，可能會先選擇彎曲身體,，然后第二次選擇縮頭）,。團隊確定了他們認為哪些神經(jīng)元會對空氣產(chǎn)生反應(yīng)，并使用光遺傳學(xué)依次激活它們,。它們可以觀察在縮頭時的回路情況,。然后，他們構(gòu)建了一種計算模型,，可以預(yù)測幼蟲在某些特定情形下的反應(yīng),。

需要機器學(xué)習(xí)，來將研究過程自動化

如果神經(jīng)回路可以帶來什么教訓(xùn),，那就是沒有什么網(wǎng)絡(luò)會因為太小而不能產(chǎn)生驚喜,，或是會阻礙人們想要理解它的努力。 30年來,，馬薩諸塞州沃爾瑟姆的布蘭迪斯大學(xué)的神經(jīng)科學(xué)家Eve Marder一直致力于在蟹胃系統(tǒng)中建立包含30個神經(jīng)元的簡單回路,。它的角色很簡單，并且?guī)资昵?，接線圖已經(jīng)存在了,。盡管如此，該回路還是隱藏了許多秘密,。例如,，Marder已經(jīng)證明，盡管個別動物的回路可能看起來相同并產(chǎn)生相同的輸出,，但它們的信號強度和突觸的電導(dǎo)差異很大,。今天，她專注于研究回路如何隨著情況的改變保持自己的身份,，如離子通道和受體等被替換等,。她問道：“在維護回路的同時，您應(yīng)該采用什么規(guī)則來替換所有組件,？”她還補充說,，所有這些挑戰(zhàn)也將適用于較大的網(wǎng)絡(luò)。 “迄今為止,，我們遠遠不知道如何從動物行為和完成復(fù)雜任務(wù)中分別得到的信息有何區(qū)別,。”

科學(xué)家正在為這一比較做準(zhǔn)備,。這些努力需要幾種新的收集和分析數(shù)據(jù)的方法,，這些方法在過去五年左右就已經(jīng)成熟了,。 Zlatic的小組與Janelia的其他人合作，以調(diào)整其光學(xué)工具,。為了分析這些幼蟲的視頻,，Zlatic招募了專門從事機器學(xué)習(xí)的統(tǒng)計學(xué)家和計算機科學(xué)家，以設(shè)計分類幼蟲運動的方法,。

在卡多納的實驗室,，科學(xué)家通過繪制幼蟲大腦，編制數(shù)千張用電子顯微鏡拍攝的腦切片圖像,，并精心追蹤神經(jīng)元之間的連接,。這張地圖構(gòu)成了其余工作的起點 ：繪制回路、操縱回路,，觀察行為,。在第175頁，該團隊使用這個協(xié)議來揭示果蠅大腦中稱為蘑菇體的回路如何通過將獎勵或懲罰的感覺與感官信息相關(guān)聯(lián)來控制學(xué)習(xí)和記憶,。

但是卡多納說,，在該領(lǐng)域，繪制過程現(xiàn)在遇到一個很大的障礙,。對果蠅嗅覺探測回路中160個神經(jīng)元的重構(gòu)要花掉卡多納團隊超過1100個小時的工作時間,。有人從此前的研究中進行推測，要繪制一只成年果蠅完整的腦圖,，需要一個人花上數(shù)百年才能完成,。這一過程的自動化將有所幫助，但算法可以添加虛假連接或完全錯過一些,。

那些研究較大回路的人常常會把問題分解 ：首先做一個關(guān)于細胞類型的列表集合,。華盛頓州西雅圖艾倫腦科學(xué)研究所的小鼠腦連接圖譜正是采用這種方法。在2014年發(fā)表的研究中,，該小組在小鼠視皮層單獨定義了49種細胞,，細胞的大小和形狀、它們的激活速度以及它們表達的基因多少都不一樣,。該團隊預(yù)計整個大腦的細胞數(shù)量將會更多,。艾倫研究所的這一項目的研究員Hongkui Zeng說：“我猜，可能高達10,000種神經(jīng)元類型,?！?/p>

當(dāng)被要求繪制整個小鼠大腦地圖所需的數(shù)據(jù)量時,， Zeng笑了起來,。然后她說：“這將是天文數(shù)字。我甚至不知道是否有一個字來形容這個,。它超過了PB級,。百萬億的百萬億字節(jié),。”

如此龐大的數(shù)據(jù)量只能由一個動物的連接體產(chǎn)生,，但是許多科學(xué)家希望得到一個可以產(chǎn)生數(shù)據(jù)并進行比較的點,。 Tobin 認為，不同動物的腦部神經(jīng)元的接線圖可能顯示也許是功能上有趣的差異,，這很重要,。他說，到目前為止,，這是一個 n = 1的領(lǐng)域,。

許多神經(jīng)科學(xué)家的愿望清單的另一個優(yōu)先事項是同時記錄許多神經(jīng)元。這樣一來,，研究人員就可以刺激一個神經(jīng)元,，看看其他的哪一個被激活了，然后得到一個動態(tài)畫面,，展示哪一個鏈條的命名導(dǎo)致了行為的發(fā)生,。這將會是“更復(fù)雜的大腦的下一個巨大挑戰(zhàn)”，zeng說,。

即使在Marder支持的30個細胞的回路中,，這仍然是假設(shè)的。 Marder可以一次性地將電極粘到少數(shù)細胞中,。研究小型回路的其他人使用各種技術(shù)來提供一個代理,，以找到哪個單元正在被激活，又是何時被激活,。例如,，研究人員可以測量從被激活的神經(jīng)元中釋放的鈣，或者因為細胞膜上電壓的變化帶帶來的熒光,。但這就像通過微風(fēng)的強度來衡量汽車的速度：代理的速度不如激活本身那么快,。 “現(xiàn)在你可以從所有的神經(jīng)元記錄，但有點慢,，每秒兩次,，”Zlatic說， “事情就在你來不及記錄的時候發(fā)生了,?！?/p>