逐个调查脑神经细胞的连接情况，制作神经回路详细地图“连接组”的研究正在稳步推进之中。英美的研究团队花了十多年时间完成了果蝇幼虫大脑的完整回路图，并于3月发表了里程碑式的论文。该研究成果不仅可以成为阐明思考和感情等脑功能和疾病的基础，也有助于开发出新原理的人工智能（AI）和计算机。
研究人员确定了果蝇幼虫大脑全部神经细胞的连接状况，并制作出了立体图（供图：剑桥大学、约翰斯·霍普金斯大学）
红、蓝、黄、绿、紫色球束成多束，从里面延伸出来的绳子互相缠绕在一起。这就是果蝇幼虫大脑连接组的形象写照。英国剑桥大学和美国约翰斯•霍普金斯大学等组成的国际团队于3月在美国科学杂志科学上发表了这一成果。带绳子的球代表一个个神经细胞。研究团队将所有神经细胞按种类分别着色，以三维的形式重现出了神经细胞的连接方法。
果蝇幼虫的大脑比罂粟籽要小，却有3016个神经细胞。神经细胞之间互相连接的“突触”达到54.8万个。
研究团队用纳米级分辨率的电子显微镜拍摄了数千张大脑的截面图像（纳米为10亿分之一米），通过人工操作将图像中的神经细胞和突触一一确定出来，并将神经细胞的连接方法汇总成立体图，还用自己开发的计算机程序调查了神经回路的特征。
迄今为止，连接组的制作仅限于神经细胞数量为数百个的线虫等。苍蝇幼虫的大脑更加复杂，德国科隆大学的伊藤启教授称赞道：“这是匹敌于解读出人类基因组的成果。”伊藤教授参加了由美国霍华德•休斯医学研究所主导的另一个研究项目，在2020年发表了比幼虫尺寸更大的果蝇成虫大脑的部分连接组信息。
在英美团队的幼虫连接组中，还明确了向大脑输入信息的感觉神经和输出信息的运动神经之间的联系方式，从输入到输出经过几个神经细胞和突触等，各种解析都有了可行性。伊藤教授说：“这一点就像，有了正确的路线图才能有电车换乘指南一样。”在大脑的神经回路中也存在最短路径和多个迂回路径，各种长度的路径连接组成信息的输入和输出。
研究团队还发现了与最先进的AI原理相似的快捷方式和循环等结构。研究团队期待通过分析连接组和AI的共同点和不同点，阐明大脑的计算原理以及对AI进行改造。剑桥大学教授马塔•兹拉蒂奇说：“神经回路的构造会影响大脑进行的计算。今后，我们将从机械方面去了解大脑的作用机制。”
在苍蝇幼虫中，大脑也承担着学习和行为选择等各种功能，研究意义重大。现在讨论人的大脑整体连接组的制作还为时过早，但最终会在小鼠等身上实现。脑科学的新时代即将开始。
对开发AI也有新启发
大脑的神经回路最初在细胞水平上完全获得阐明的是线虫。在对线虫的研究中，后来获得诺贝尔奖的悉尼•布莱纳博士等人于1986年发表论文。当时的技术需要大量的劳动，但还是制作出了约300个神经细胞的完整地图。
在2000年代后半期，神经回路地图被称为“连接组”，2010年代以后，正式开始了以人为对象的连接组研究。但是人的大脑中大约有1000亿个神经细胞，制作完整地图是极其困难的。当前地图使用的是使用磁共振成像设备（MRI）的图像，分辨率仅保持在毫米级。
在对果蝇连接组研究的推进过程中，AI和虚拟现实（VR）等最新技术的贡献也很大。在伊藤教授等人的项目中，美国谷歌公司开发出了脑图像处理技术。通过图像确定神经细胞和突触的工作中应用了VR，比在电脑画面上的工作效率更高。
用于AI的“神经网络”原本是将大脑神经回路简化而成的。解析苍蝇等神经回路很有可能会给AI研究带来新的构思。培养出的神经细胞的活动也有可能会关系到用于计算的“生物计算机”等的发展。
日文：越川智瑛、《日经产业新闻》、2023/3/24
中文：JST客观日本编辑部
