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渺小如尘埃的果蝇大脑，藏着解开人类记忆与意识之谜的钥匙

2024年10月，神经科学的划时代里程碑，成年雌果蝇完整大脑神经图谱系列研究，发表在《自然》期刊（Nature）。此图谱详尽至果蝇脑中每一条神经的所有分支、每一个突触的尺寸和型态，这样的脑神经图谱称为“连接体”（connectome）。要绘制完整成熟雌性果蝇连接体，需要辨识近14万个神经元（神经细胞）与其间的5千万个突触（不同神经元的连接处）。

“世上还没有另一个如此复杂的成年动物全脑连接体。”

马拉.莫西/普林斯顿大学神经科学研究所长

普林斯顿大学神经科学研究所长马拉.莫西（Mala Murthy）、神经科学与电脑科学教授承现峻（Sebastian Seung）率领跨国科学团队建造果蝇连接体云端平台“FlyWire”，并在《自然》同时发表12篇论文，以《成熟大脑的神经连接图》（Neuronal wiring diagram of an adult brain.）为旗舰研究，展现果蝇大脑的完整神经回路，包含8453种神经元的构造与位置，其中4581种为本系列研究的新发现。

连接体开拓脑科学高速公路

有了详细的脑神经地图，科学家得以规划崭新的神经科学研究路径，更加直接、详尽地实验神经构造与行为之间的关联。例如，按图索骥搜集所有关于果蝇“剎车”动作的神经元，建构完整的动作神经网络，找出过往研究方式所遗漏的因素;或是利用果蝇连接体推论出“观看”等动作的完整神经活动，捕捉新的神经科学现象。

生物资料科学家更进一步利用此完整连接体搭配演算法建立一个虚拟蝇脑，不仅完全重现神经元线路，更能及时推算各神经讯号的传输路径与功能，模拟果蝇的真实脑内活动。接收初始讯号之后，这个虚拟蝇脑启动一连串神经讯号，最后以运动神经元控制肢体作为结果，就像活生生的果蝇在对环境刺激进行反应。

让神经科学换档加速的果蝇连接体，在“FlyWire”网站向公众彻底开放。由公众人力与人工智能合力打造的庞大资料库，现在平等地提供研究资源，科学界认为，FlyWire的完整度与开放性将大幅加速人类大脑的解密。

“蝇”来连接体学大跃进

人类大脑含有超过500亿个神经元，形成上百兆个突触，具备了人工智能还无法达成的认知、思考与创造力。若能理解人脑的基础运作方式，科学家有机会找到帕金森氏症等退化性脑部疾病的解药，或是掌握思觉失调症等精神疾病的生理机制。甚至逐渐实现承现峻的科学狂想：以连接体科技上传记忆与意识，让人类达到永生。

发展四十年后，连接体学家终于掌握了果蝇大脑，这个器官最宽处不到0.75毫米，渺小如尘埃，其中蕴含的连接体奥秘却超越过去累积的科学资料。以果蝇连接体完成博士学位的多肯沃（Sven Dorkenwald）比喻，果蝇连接体仿佛是一座茂密森林，神经元犹如树木，可以透过根系彼此沟通。但在空间比例上，果蝇的某个视神经横跨全脑连接双眼，有如一棵纽约的树木能够和位在洛杉矶的树木互通声息。

相对“头脑简单”的线虫与果蝇幼虫缺少成年果蝇的复杂行为与反应，成年果蝇却与人类共享许多认知功能与神经生理反应。例如：辨别同类、划分地盘/食物、求偶交配等行为，以及时差、酒醉、咖啡因亢奋等特殊生理状态。

果蝇（Drosophila melanogaster）。图片来源：André Karwath / Wikimedia Commons（CC BY-SA 2.5）

果蝇：当前最佳人脑模拟器

在动物行为领域，果蝇大脑与人类大脑面对许多相似的问题，如何前往目的地、判断气味来源、观察周遭物体的移动，以及复杂的社会性行为，如歌唱求偶、争夺资源;以及注意力与情绪调节等。从神经科学技术的现实面来看，果蝇大脑也是最适合进行全脑研究的复杂连接体，现有科技仅能对斑马鱼、小鼠的大脑进行分区重建。

“连接体研究需要够复杂但体积不太大的脑，果蝇正好位在这个甜蜜点上。”

马拉.莫西

莫西实验室深入研究果蝇行为，发现果蝇的生存、繁殖行为蕴含复杂的模式。例如，雄果蝇演奏求偶时，会依照雌果蝇与它的距离改变演奏的音量与编曲，并追随雌果蝇。运用FlyWire，莫西团队清点雌果蝇中脑关于听觉的600多个神经元与其突触，辨认出20种新的神经元，发现其功能网络比过往所知更加复杂。

莫西团队发现，雌果蝇听觉回路中，神经元的回馈讯号可以凭藉音讯特征进行预测，未来可以据此模型预测真实雌果蝇对“情歌”的回应行为。或许我们深深自豪的音乐品味也刻划在我们的脑神经细胞之间，只是和我们的连接体一样，比果蝇的复杂万倍。

在基因层面，果蝇与人类共享约60%的基因，包括学习、时差反应与唐氏症相关的基因。接近3/4的人类遗传疾病能在果蝇DNA中找到对应的基因。因此，完整的成年果蝇连接体被视为通往人类大脑奥秘的桥头堡。

美国太空总署（NASA）在1947年将果蝇送上太空，作为地球生命前往太空环境的实验品。它们竟生还返地，为太空人开拓了道路。作为经典模式生物，果蝇相关研究获得6项诺贝尔奖，生理学、神经科学与行为学领域已累积丰富资料，搭配完整连接体图谱的跨领域研究，势必能带人类深入探索脑宇宙。