「電子果蠅」驚動(dòng)馬斯克！背后是13萬(wàn)神經(jīng)元全腦圖譜，可在電腦上運(yùn)行

克雷西 2023-07-04 14:01:31 來(lái)源：量子位

魚羊 克雷西 發(fā)自 凹非寺
量子位 | 公眾號(hào) QbitAI

腦科學(xué)研究又進(jìn)一大步！

來(lái)自普林斯頓的科學(xué)家最新宣布，他們已經(jīng)成功創(chuàng)建了首個(gè)成年體動(dòng)物的全腦連接體圖譜。

其中包含來(lái)自雌性黑腹果蠅大腦的130000個(gè)帶注釋的神經(jīng)元，以及它們之間的數(shù)千萬(wàn)個(gè)化學(xué)突觸。

更重要的是，數(shù)據(jù)是完全開放的，還能一鍵查詢。

只需要在Codex這個(gè)網(wǎng)站上輸入相關(guān)信息，每個(gè)神經(jīng)元的連接性、大小、神經(jīng)遞質(zhì)等信息都能盡收眼底。

包括直觀的3D模型。

這項(xiàng)研究一經(jīng)發(fā)布，就吸引到大量關(guān)注。

英偉達(dá)AI科學(xué)家范麟熙（Jim Fan）就轉(zhuǎn)發(fā)點(diǎn)贊：

令人著迷的是，普林斯頓大學(xué)的這項(xiàng)研究中，蘊(yùn)含著大自然的注意力、工作記憶甚至基本意識(shí)算法。

將神經(jīng)連接體視作已編譯的可執(zhí)行二進(jìn)制文件，我們可以從完整的大腦模擬中反編譯出多少源代碼？

不僅如此，果蠅的大腦結(jié)構(gòu)還對(duì)機(jī)器學(xué)習(xí)有著重要啟發(fā)。

已經(jīng)有人在電腦上跑了一下這個(gè)模型，模擬了果蠅吃東西和梳理觸角的過(guò)程。

馬斯克也關(guān)注到了這只“電子果蠅”，并感覺(jué)事情開始變得奇怪起來(lái)了。

通過(guò)電鏡圖像繪制

研究團(tuán)隊(duì)重建了雌性黑腹果蠅大腦完整連接體圖譜。

不同于傳統(tǒng)的切片方式，圖譜中的信息主要是從電鏡照片中獲得的。

這些電鏡照片來(lái)自Zheng和Lauritzen等人于2018年發(fā)布的FAFB(full adult fly brain)數(shù)據(jù)集。

電鏡照片的分辨率可以清晰地看到蛋白質(zhì)分子，經(jīng)過(guò)計(jì)算機(jī)分析就能得出有關(guān)信息。

尺寸僅為0.1毫米量級(jí)的果蠅大腦擁有上億個(gè)突觸，比哺乳動(dòng)物的突觸還要密集。

果蠅大腦中的神經(jīng)被分成9個(gè)大類、31個(gè)小類，劃分了78個(gè)區(qū)域。

這九個(gè)大類是在將神經(jīng)元按照信息流向分為三個(gè)部分的基礎(chǔ)上繼續(xù)劃分得到的。

通過(guò)與光學(xué)顯微鏡下的神經(jīng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行對(duì)比，團(tuán)隊(duì)建立的模型準(zhǔn)確性得到了初步驗(yàn)證。

進(jìn)一步地，數(shù)值計(jì)算和人工抽樣檢查結(jié)果也證明了模型是準(zhǔn)確的。

此外，通過(guò)統(tǒng)計(jì)學(xué)分析，團(tuán)隊(duì)還對(duì)神經(jīng)元之間的神經(jīng)遞質(zhì)成分進(jìn)行了預(yù)測(cè)，且準(zhǔn)確率很高。

研究團(tuán)隊(duì)還分析了果蠅眼部的神經(jīng)回路，追蹤了信息流從輸入神經(jīng)元到輸出神經(jīng)元傳遞的過(guò)程。

盡管輸入和輸出神經(jīng)元的數(shù)量在神經(jīng)系統(tǒng)中占據(jù)的比重很小，但它們是溝通大腦和外界的橋梁。

在這一過(guò)程中，團(tuán)隊(duì)使用了一種概率模型，分析從種子神經(jīng)元開始的信息流。

團(tuán)隊(duì)針對(duì)每一個(gè)種子神經(jīng)元進(jìn)行了遍歷，測(cè)量了信息傳到神經(jīng)中樞再到傳出神經(jīng)的過(guò)程。

遍歷過(guò)程中信息傳遞所經(jīng)過(guò)的距離被排序，然后進(jìn)行歸一化處理。

這一過(guò)程幫助研究人員確定了不同類型的傳入信息是如何向相對(duì)應(yīng)的神經(jīng)中樞傳遞的，結(jié)果與預(yù)期相吻合。

花費(fèi)4年時(shí)間打造

值得一提的是，從成年果蠅完整大腦數(shù)據(jù)（FAFB）到完整構(gòu)建出成年果蠅的大腦圖譜，研究人員一共花費(fèi)了194周，也就是4年左右的時(shí)間。

而在此背后，這個(gè)名為FlyWire的項(xiàng)目得到了超過(guò)200名社區(qū)成員的貢獻(xiàn)支持。

官網(wǎng)信息顯示，F(xiàn)lyWire是一個(gè)人類-AI協(xié)作項(xiàng)目，旨在重建果蠅的全腦連接體。具體而言，F(xiàn)lyWire由普林斯頓大學(xué)的Mala Murthy和Sebastian Seung實(shí)驗(yàn)室創(chuàng)建，社區(qū)由神經(jīng)生物學(xué)家、計(jì)算機(jī)科學(xué)家和校對(duì)人員組成。

通過(guò)將神經(jīng)元連接和大腦功能聯(lián)系起來(lái)，我們可以在理解大腦如何工作這件事上取得重大進(jìn)展。

論文地址：
[1]https://www.biorxiv.org/content/10.1101/2023.06.27.546656v1.full.pdf
[2]https://www.biorxiv.org/content/10.1101/2023.06.27.546055v1.full.pdf
[3]https://www.biorxiv.org/content/10.1101/2023.05.02.539144v1.full.pdf