導(dǎo)語
今天，《自然》雜志發(fā)表了一項研究，對線蟲的全腦進(jìn)行重建得到的多尺度的腦圖，這將有助于理解大腦的運行方式。
新智元 | 來源論文題目：
A multi-scale brain map derived from whole-brain volumetric reconstructions
論文地址：
https://www./articles/s41586-021-03284-x
研究人員繪制了一種名為「秀麗線蟲」(caenorhabditis elegans) 的微型土壤線蟲大腦的物理結(jié)構(gòu)圖，為這種動物的大腦結(jié)構(gòu)及其處理信息的方式創(chuàng)建了一個新的模型。線蟲大腦的空間組織是模塊化的，圖像顯示了大腦處理信息的不同區(qū)域，如導(dǎo)航、回避和進(jìn)食。

令人驚訝的是，研究人員發(fā)現(xiàn)在單個線蟲的某些神經(jīng)回路或通路的結(jié)構(gòu)中有很大程度的變異，這個發(fā)現(xiàn)補充了不同動物共有的一套核心神經(jīng)回路的理論。科學(xué)家們認(rèn)為，線蟲的大腦與體型較大的動物的共同點可能比我們之前認(rèn)為的要多得多。
由利茲大學(xué)的神經(jīng)科學(xué)家與紐約阿爾伯特·愛因斯坦醫(yī)學(xué)院的研究人員合作創(chuàng)建的大腦地圖（The Brain Map）顯示，不同的空間區(qū)域支持大腦中不同的路由信息的專門回路，信息在被處理之前，會在那里被整合。
秀麗線蟲是以你花園里腐爛植物中的細(xì)菌為食的線蟲，長度只有一毫米左右，細(xì)如人類的頭發(fā)。一條成年線蟲的神經(jīng)系統(tǒng)中只有302個細(xì)胞，而相比之下，人腦中大約有1000億個細(xì)胞。但是幾乎三分之二的線蟲的神經(jīng)細(xì)胞會在頭部區(qū)域形成一個環(huán)，在那里它們彼此之間有成千上萬的連接。
這個「大腦」就是動物的控制中心，大部分的感知和決策都發(fā)生在這里。
盡管大腦非常緊湊，但是動物還是可以表現(xiàn)出一系列復(fù)雜的行為，神經(jīng)科學(xué)家對了解它的大腦已經(jīng)感興趣幾十年了。之前的研究已經(jīng)為神經(jīng)細(xì)胞之間的連接創(chuàng)建了一份“線路地圖”。
然而，這項最新的研究是第一次為這些線路圖提供了完整的空間坐標(biāo)。利茲大學(xué)的計算神經(jīng)科學(xué)家 Netta Cohen 教授指導(dǎo)了這項研究，他認(rèn)為「大腦需要組織信息流來控制行為。但我們還不清楚大腦的結(jié)構(gòu)和功能之間的關(guān)系。通過線路的空間表征，我們可以了解到動物大腦的模塊化結(jié)構(gòu)?！?/span>

繪制線蟲大腦的圖像
研究人員查看了成年線蟲和幼年線蟲大腦的電子顯微鏡圖像集合，這些圖像顯示了單個的腦細(xì)胞或神經(jīng)元，使研究人員能夠繪制線蟲神經(jīng)回路的組織結(jié)構(gòu)。這些結(jié)構(gòu)包括從單個細(xì)胞到整個大腦。
大腦結(jié)構(gòu)和功能
科學(xué)家們確定了大腦中已知的神經(jīng)回路和通路，比如導(dǎo)航神經(jīng)回路 (navigation neural circuit)，動物會利用這個回路跟蹤氣味和味道來尋找食物。另一個回路被認(rèn)為是用來促進(jìn)運動知覺，它能夠感覺到自己是被細(xì)菌包圍還是蠕動通過土壤。

他們認(rèn)為「信息在線蟲的大腦中是通過一些層（Layer）來處理的」。

事實上，在人類大腦中也發(fā)現(xiàn)了類似的分層結(jié)構(gòu)。信息流從感覺細(xì)胞開始，感覺細(xì)胞對環(huán)境做出反應(yīng)。例如，細(xì)胞可以感知細(xì)菌，但它們是否是正確的食物，聞起來是否像“正確的”細(xì)菌？這個問題的答案要求信息在被發(fā)送到大腦的指揮區(qū)采取行動之前，必須經(jīng)過多種感官的整合。

大腦地圖顯示了一個非常優(yōu)雅的結(jié)構(gòu)，支持信息流通過線蟲的大腦，它比傳統(tǒng)觀點更復(fù)雜。大腦地圖顯示了不同神經(jīng)回路的匯聚，這使得線蟲能夠整合它通過感覺細(xì)胞接收到的所有不同信號，并協(xié)調(diào)反應(yīng)。
在研究過程中，研究人員驚奇地發(fā)現(xiàn)了線蟲大腦中個體差異的程度。

在秀麗線蟲的一生中，細(xì)胞分裂和生長的方式遵循著一個嚴(yán)格的框架，這個過程在整個物種中都能觀察到。但是腦細(xì)胞略有不同，腦細(xì)胞與鄰近細(xì)胞形成接觸以創(chuàng)建神經(jīng)回路的方式似乎存在高度的變異。

通過使用數(shù)學(xué)和計算機(jī)模型，科學(xué)家們能夠辨別出那些可能在大量動物群體中形成核心環(huán)路的連接，以及那些似乎在個體之間變化的連接。
科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)，線蟲大腦中只有大約一半的線路是相似的，另一半顯示出變異。

這個發(fā)現(xiàn)讓人興奮。因為這表明線蟲的大腦與高等動物的大腦有著比現(xiàn)在已知或預(yù)期的更多的共同點，從這種線蟲中學(xué)到的經(jīng)驗教訓(xùn)可以幫助我們更廣泛地了解大腦。
當(dāng)動物面臨挑戰(zhàn)、危險和不斷變化的環(huán)境時，變化的連通性可能支持大腦的個性、冗余性和適應(yīng)性。
參考資料：
https://www./pub_releases/2021-02/uol-smt022321.php
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原標(biāo)題：《Nature：從全腦體積重建獲得的多尺度腦圖》