Nature发布脑科学重要突破：第一次为大脑提供完整空间坐标

开拓性研究揭示了大脑组织结构，组装的原理

大脑的形成是大自然最复杂的成就之一。神经元的错综复杂的交织和迷宫般的连接，也使科学家们很难进行研究。

最近，利兹大学，纽约阿尔伯特·爱因斯坦医学院等五处实验室合作，设计出一种新策略，绘制了秀丽隐杆线虫大脑的物理组织图，能够看到这种先前难以解析的过程，从而为动物大脑的结构及其如何处理信息创建了新模型。

这一重大突破公布在2月24日的Nature杂志上。

创建大脑图

了解大脑的工作原理是医学的首要目标。但是，由于大脑有数十亿个紧密包装的，相互交织的神经元，因此难以可视化和绘制地图。

在最新研究中，研究人员使用了传统的成年线虫和幼虫的大脑电子显微镜图像。这些图像揭示了单个脑细胞或神经元，从而使研究人员能够绘制神经回路的组织图，从单个细胞的水平到整个大脑的大规模结构。

耶鲁大学神经科学学院副研究员Mark Moyle表示：“以前，我们能够在比较短的时间内在秀丽隐杆线虫的背景下研究单个细胞或一小组细胞。现在则能够在整个有机体的整个大脑中观察几个小时，并形象地观看这种高度协调的‘编舞’，这真是令人叹为观止。”

大脑的结构功能

科学家们确定了大脑中的神经回路和通路，例如导航神经回路，动物将使用该神经回路来追踪气味和味道来觅食。他们还发现了另一条回路可以促进机械运动，因此线虫在土壤中蠕动时会感觉到它的感觉，或感觉到它是否被细菌包围。

研究理论是，信息是通过许多“层”在线虫的大脑中处理的。实际上，在人脑中发现了类似的分层体系结构。信息流始于对环境做出反应的感觉细胞。例如，细胞可以感觉到细菌，但是它们是正确的细菌吗？它们闻起来像“正确的”细菌吗？答案需要信息从多种感官整合起来，然后再发送到大脑的命令区域以采取行动。

大脑图揭示了一种非常巧妙的结构，可以支持信息通过线虫的大脑流动，并且比简单动物遵循刺激反应路径的传统观点更为复杂。

这一图谱也暗示了不同神经回路的融合：这使线虫能够整合通过感官细胞接收到的所有不同线索并协调响应。

脑结构变化

在研究过程中，研究人员惊讶地发现了线虫大脑中个体变异的程度。

秀丽隐杆线虫是生物学中研究最多的动物之一。在它的生命中，细胞分裂和生长的方式遵循严格的蓝图，这种蓝图在整个物种中都可以观察到。但是当涉及到脑细胞时，脑细胞与相邻细胞形成神经回路的接触方式似乎有很大的差异。

利用数学和计算机模型，科学家们能够辨别出可能在大量动物中形成“核心”回路的那些联系与似乎在个体之间变化的那些联系。

利兹大学前博士研究生，论文的第一作者Christopher Brittin博士说：“这项工作提出了一个有趣的问题，即即使看似简单的神经系统也能够同时适应核心和个性化的大脑回路。”

科学家发现，线虫的大脑中只有大约一半的连线是相似的，另一半则呈现出变异。

“这一发现对我们来说真的很令人兴奋。首先，这表明线虫的大脑与高等动物的大脑有很多共同点，比我们所知道或期望的要多，而线虫的研究经验可以帮助我们了解大脑。”

参考文献

A multi-scale brain map derived from whole-brain volumetric reconstructions