《Nature》期刊研究报告：通过解析神经元连接组预测果蝇视觉功能

作者及机构
本研究的通讯作者为H. Sebastian Seung，来自美国普林斯顿大学神经科学研究所和计算机科学系。研究于2024年10月3日发表在《Nature》期刊（第634卷）。

学术背景
本研究属于计算神经科学与连接组学（connectomics）交叉领域。随着连接组学技术的发展，科学家已能获得神经系统的精细结构数据，但其功能解析仍滞后。果蝇（*Drosophila*）的视觉系统是理想模型，因其复眼和视叶（optic lobe）的神经环路相对简单且已被完整重建。研究团队旨在通过解析果蝇视叶的神经元连接组（neuronal wiring diagram），预测其视觉功能，尤其是形状视觉（form vision）的神经机制。

研究背景包括：
1. 连接组学进展：果蝇视叶的4万个神经元已被完全分类为200多种细胞类型，但仅20%的细胞功能通过神经生理学实验验证。
2. 功能预测的挑战：传统方法依赖生理记录，而本研究尝试仅通过结构数据预测功能，验证“结构决定功能”的假说。
3. 关键科学问题：特定细胞类型（如DM3和TMY）如何通过连接模式编码视觉信息（如局部朝向）。

研究流程与方法

1. 数据来源与样本

   • 基于成年雌性果蝇大脑的电子显微镜三维重建数据集（v783版本），覆盖右视叶的全部神经元连接。
     
   • 研究对象包括：
     
     • DM3细胞：3种亚型（DM3p、DM3q、DM3v），通过树突朝向区分（图1b-d）。
       
     • TMY细胞：3种亚型（TMY4、TMY9q、TMY9q⊥），投射至中央脑区。
       
     • LC10e和LC15神经元：负责将视觉信息传递至中央脑。
       

2. 连接组分析

   • 单突触输入映射：通过量化突触数量，预测DM3和TMY的经典感受野（classical receptive field, CRF）。例如，DM3的主要输入来自TM1细胞（图1e），其连接模式显示CRF具有朝向选择性（图1f-g）。
     
   • 双突触通路识别：预测非经典感受野（extraclassical receptive field, ERF）。例如，DM3通过其他DM3细胞或T2A细胞的抑制性或兴奋性输入形成ERF（图4）。
     
   • 空间归一化机制：发现TMY细胞通过同类型互连（iso-orientation excitation）和DM3抑制（cross-orientation inhibition）实现信号标准化（图3b）。
     

3. 功能预测与验证

   • 朝向选择性：DM3和TMY细胞的CRF分别对应六边形晶格的三个主轴方向（p、q、v轴），预测其偏好特定朝向的视觉刺激（图1i-j）。
     
   • ERF的调制作用：
     
     • DM3的ERF在CRF侧区表现为抑制（由其他DM3介导），在端区表现为易化（由T2A介导）（图4a-c）。
       
     • TMY的ERF在端区表现为同朝向易化（由TMY-TMY连接介导），可能参与轮廓补全（contour completion）（图5）。
       

4. 高阶视觉通路

   • LC15神经元：接收所有TMY类型的输入，预测其对任何朝向的刺激均响应（逻辑“或”运算）（图6b-c）。
     
   • LC10e神经元：可能通过TMY9q和TMY9q⊥输入的协同作用检测角点或T型连接（逻辑“与”运算）（图6e-f）。
     

主要结果

1. DM3和TMY的朝向编码

   • DM3细胞的CRF呈长条形，宽度约4个晶格常数（图1k-m），与哺乳动物初级视皮层（V1）的简单细胞类似。
     
   • TMY细胞的ERF显示“共线易化”（collinear facilitation），可能支持轮廓补全（图5e-g），与哺乳动物V1的报道一致。
     

2. 连接模式的保守性

   • DM3-TMY环路与哺乳动物V1的“交叉朝向抑制”和“同朝向兴奋” motifs 高度相似（图3a），提示进化保守的视觉计算机制。
     

3. 运动与形状视觉的交互

   • TMY细胞接收运动检测细胞（T4/T5）的输入，可能整合运动与形状信息（图5a-c）。
     

结论与意义

1. 科学价值

   • 首次通过纯连接组数据预测未记录神经元的视觉功能，验证了结构-功能关系的假说。
     
   • 提出果蝇视叶的DM3-TMY环路是形状视觉的基础，其机制与哺乳动物V1具有深层同源性。
     

2. 应用前景

   • 为人工视觉系统设计提供生物启发模型，例如卷积神经网络（CNN）中的滤波器设计。
     
   • 推动连接组学从描述性科学向预测性科学转变。
     

研究亮点

1. 方法创新

   • 开发了基于连接组的“功能预测框架”，无需生理实验即可推断神经元特性。
     
   • 引入六边形晶格坐标系统，量化神经连接的空间规律性（图1f）。
     

2. 重要发现

   • 发现DM3细胞的CRF长度远小于其树突跨度，证明功能由真实连接而非形态决定。
     
   • 提出LC10e可能是角点检测器的假说，为后续实验提供明确靶点。
     

其他价值
研究还探讨了神经发育（如DM3树突生长导向分子）和进化（如蜜蜂与果蝇的视觉同源性）问题，为跨物种比较研究奠定基础。