纽约市熨熨烫研究所的神经科学家和他们的同事利用世界上最小的大脑之一取得了重大突破。
利用离子束、电子显微镜和极大的耐心，神经科学家绘制出了一只比一粒食盐还小的寄生蜂的整个早期视觉系统——从接收光线的眼睛到处理信息的神经元。这一壮举标志着科学家们第一次从任何动物物种的单个标本中完全重建了这样一个突触水平的系统，神经科学家在9月29日的《当代生物学》在线报道。
虽然小黄蜂的大脑很小(只有8600个细胞，而人类的大脑有1710亿个细胞)，但这种小昆虫仍然能够进行复杂的行为，比如飞行。该研究的主要作者尼古拉斯·蔡(Nicholas Chua)说:“在这么小的大脑中仍然有这么多的复杂性，这令人难以置信。”蔡曾是熨斗研究所计算神经科学中心(CCN)的研究分析师，现在是哥伦比亚大学的研究生。
该研究的资深作者、CCN的小组负责人德米特里·奇克洛夫斯基(Dmitri Chklovskii)说，黄蜂的大脑被证明“与更大的大脑非常相似，但更简单、更小”。他说，研究人员现在正在绘制黄蜂的整个大脑。
他说:“我们的想法是，神经元和神经元回路的运作原理在我们和其他动物之间是一样的，所以这就是为什么我们认为我们可以把从昆虫身上学到的东西应用到人类大脑上。”
Chklovskii说，了解昆虫的大脑也可以帮助研究人员改进人工智能工具。他说:“当人工神经网络在70年前首次被创造出来时，他们的灵感来自于大脑中神经元的知识。”“但从那以后，我们的知识有了很大的进步。人类大脑的能力超过了人工智能，我们知道它是由不同的规则构建的，所以生物学中一定有一些秘密武器可以帮助我们构建更好的人工智能。”
Chklovskii在CCN的小组与霍华德休斯医学研究所Janelia研究校区的Harald Hess小组和莫斯科国立大学的Alexey Polilov小组合作进行了这个项目。
Chklovskii说，研究动物王国中最基本的大脑，可以更容易地识别控制复杂行为的机制和规则。寄生蜂维氏大黄蜂(Megaphragma viggianii)是一个理想的研究对象。这种微小的黄蜂只有大约200微米长，但它可以飞行并寻找一种叫做蓟马的昆虫的卵，黄蜂在那里产卵。
这个物种必须大幅缩小才能变得这么小:一些黄蜂的细胞甚至放弃了细胞核以节省空间。果蝇是生物学家最喜欢研究的对象，它们身长约3000微米，大脑中的细胞数量是黄蜂的10倍以上。
“与此相比，果蝇就像一头大象，”Chklovskii说。“整个生物都能装进果蝇的眼睛里。”
当绘制出从果蝇的眼睛一直到执行初始视觉处理的神经元的整个早期视觉系统时，神经科学家面临着一个重大挑战。此前，科学家们使用了几种不同的标本来制作这样的地图。然而，这种方法意味着，由于个体标本之间的差异，并非所有东西都匹配。
相反，神经科学家只使用了一只黄蜂。它的细胞太小，无法用光成像，所以他们向昆虫发射了一束电子，并记录了电子是如何散射的。每次通过后，研究人员用离子束从昆虫身上刮掉一层薄薄的毛，露出昆虫头部的更深层次。
接下来，研究人员绘制了黄蜂的脑细胞和它们之间的连接，称为突触。他们大部分都是手工完成的，这是一项非常辛苦的工作。(对于未来的研究，他们已经开始实施一种人工智能驱动的工具，以加快这一过程。)
通过这种方法，神经科学家对黄蜂如何观察和处理视觉信息有了更深入的了解。例如，他们发现了黄蜂眼睛的不同部位是如何影响这种生物的视力的，并发现黄蜂可以探测到光的偏振——这是以前对这个物种所不知道的。
神经科学家的下一步是绘制黄蜂大脑的其余部分，以揭示这种昆虫用于复杂行为的整个相互联系的框架。Chklovskii说:“在那之后，我们希望将从这些更简单、最基本的系统中学到的原理应用到像我们这样更复杂的大脑中。”
熨斗研究所是西蒙斯基金会的研究部门。该研究所的使命是通过计算方法推进科学研究，包括数据分析、理论、建模和仿真。该研究所的计算神经科学中心开发了模型、原则和概念框架，加深了我们对大脑功能的了解——无论是在健康方面还是在疾病方面。
