雖說現(xiàn)代的深度學(xué)習(xí)早已脫離對「生物神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)」的模仿,但了解生物大腦的運行機制,對于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的未來發(fā)展仍然很有幫助。
大腦回路的結(jié)構(gòu)方式影響著大腦的計算能力,但到目前為止,除了在一些非常簡單的生物體中,仍然還沒有看到任何大腦的具體結(jié)構(gòu)。
(資料圖片僅供參考)
去年11月,來自劍橋大學(xué)、約翰霍普金斯大學(xué)、珍利亞研究園區(qū)等多家頂尖機構(gòu)的研究人員在Biorxiv上傳了一篇論文,經(jīng)過 十余年的艱苦研究 ,首次 完整地 對「果蠅幼蟲」的 大腦連接組 進行重建。
論文鏈接: https://www.science.org/doi/10.1126/science.add9330
3月10日,相關(guān)成果發(fā)表在《科學(xué)》雜志上。
論文作者之一,來自約翰霍普金斯大學(xué)的副教授Joshua Vogelstein 表示,果蠅在許多方面比其他生物更接近人類的大腦,有些區(qū)域?qū)?yīng)于決策,有些區(qū)域?qū)?yīng)于學(xué)習(xí),有些區(qū)域?qū)?yīng)于導(dǎo)航;并且果蠅幼蟲的大腦和人類也分為左右兩邊。
在對果蠅大腦的分析中還可以發(fā)現(xiàn)一些現(xiàn)代神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中的結(jié)果,比如循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、多層網(wǎng)絡(luò)之間的快捷路徑(殘差網(wǎng)絡(luò)ResNet)等,或許能啟發(fā)對機器學(xué)習(xí)模型的改進。
好消息: 重建的果蠅幼蟲的大腦連接組包括3016個神經(jīng)元
壞消息: 人有860億個神經(jīng)元。
完整重建果蠅幼蟲大腦
大腦主要由「神經(jīng)元細胞」構(gòu)成,相鄰的神經(jīng)元可以在突觸細胞之間的連接處互相發(fā)出信號,其中一個神經(jīng)元釋放「神經(jīng)遞質(zhì)」,另一個神經(jīng)元負責(zé)接收這種化學(xué)物質(zhì),大腦的神經(jīng)元和突觸的完整圖譜被稱為 連接組(connectome) ,研究連接組對于理解大腦如何產(chǎn)生行為至關(guān)重要。
重建連接組的主要流程是將大腦切割成超薄(20微米)的切片,然后用電子顯微鏡的電子流對切片進行成像,比如要把 鹽粒大小的果蠅幼蟲大腦 切成 幾千片 ,稍有差池,就得從頭再來。
對于一些簡單的生物來說,構(gòu)建完整的連接組還相對容易,第一個完整繪制的是秀麗隱桿線蟲,整個身體只有302個神經(jīng)元,在上世紀(jì)80年代即完成繪制。
但到目前為止,研究人員也僅為三個有機體繪制了完整的突觸連接組,每種生物只有數(shù)百個大腦神經(jīng)元。
2020年時,谷歌和珍利亞研究園區(qū)的研究人員曾發(fā)布過一個果蠅的大腦連接組3D模型,包含25,000個果蠅神經(jīng)元,這些神經(jīng)元跨越不同的細胞類型和多個大腦區(qū)域,但該模型并不是一個完整的大腦,即便如此,該模型也只是包含一個成年果蠅10萬個神經(jīng)元中的四分之一。
還有一些研究小組正在研究腦部更大的動物的連接組,比如昆蟲、魚類、哺乳動物等,不過由于神經(jīng)元數(shù)量太多,主要研究方法是對大腦進行分區(qū)后單獨研究,會導(dǎo)致無法重建那些跨空間且相互連接的大腦區(qū)域。
本次重建的完整連接組屬于黑腹果蠅的幼蟲,果蠅可以表現(xiàn)出非常豐富的行為,包括學(xué)習(xí)、價值計算和行為選擇,并且與成年果蠅和較大的昆蟲具有同源的大腦結(jié)構(gòu)。
強大的遺傳工具可用于選擇性操縱或記錄個別神經(jīng)元類型,在易處理的(tractable)模型系統(tǒng)中,關(guān)于連接組揭示的特定神經(jīng)元和回路基序的功能作用的假設(shè)可以很容易地得到檢驗。
研究小組將一個「6小時大」的黑腹果蠅幼蟲的大腦切割成4841片,并用高分辨率電子顯微鏡進行掃描,將成像數(shù)字化后再重新組合成一張三維圖像;在計算機分析的輔助下,最終生成的圖譜包含3016個神經(jīng)元和54.8萬個突觸。
殘差網(wǎng)絡(luò)暗藏其中
研究人員對大腦回路(circuit)結(jié)構(gòu)進行了詳細的分析,包括連接和神經(jīng)元類型、網(wǎng)絡(luò)中樞(network hubs)和神經(jīng)回路圖。
大腦輸入輸出中樞(in-out hubs)中大部分(73%)是「對學(xué)習(xí)中心的突觸后中樞」或「對驅(qū)動學(xué)習(xí)的多巴胺能神經(jīng)元的突觸前中樞」;使用圖譜嵌入(graph spectral embedding)技術(shù)將基于突觸連通性的分層聚類神經(jīng)元分為93種類型,這些類型在基于形態(tài)學(xué)和功能等其他特征上具有內(nèi)部一致性。
研究人員還開發(fā)了一種算法來跟蹤大腦多突觸通路中的信號傳播,并分析了前饋(從感覺到輸出)和反饋通路(feedback pathways)、多感官整合(multisensory integration)和跨半球的反應(yīng)(cross-hemisphere interactions)。
在大腦中發(fā)現(xiàn)了廣泛存在的多感官整合,以及從感覺神經(jīng)元到輸出神經(jīng)元不同深度的多條相互關(guān)聯(lián)的通路,形成了一個分布式的處理網(wǎng)絡(luò)。
大腦具有高度循環(huán)(recurrent)結(jié)構(gòu),41% 的神經(jīng)元接受長程循環(huán)輸入,不過循環(huán)的分布并不均勻,在涉及學(xué)習(xí)和行動選擇的領(lǐng)域循環(huán)率特別高。
驅(qū)動學(xué)習(xí)的多巴胺能神經(jīng)元是大腦中最常見的神經(jīng)元之一。
有許多對側(cè)神經(jīng)元(contralateral neurons)投射到大腦兩半球,它們是進出中樞(in-out hubs),彼此之間相互突觸,促進了大腦兩半球之間的廣泛交流;文中還分析了大腦和神經(jīng)之間的相互作用。
研究人員發(fā)現(xiàn),下行神經(jīng)元(descending neurons)的目標(biāo)是一小部分前運動元件(premotor elements),其在運動狀態(tài)(locomotor states)切換中扮演著重要的作用。
結(jié)論
果蠅幼蟲完整的腦連接組將在很長一段時間內(nèi)為其他腦功能理論和實驗研究提供基礎(chǔ),這項研究中產(chǎn)生的方法和計算工具將促進未來連接體的分析。
盡管動物王國中大腦組織的細節(jié)各不相同,但許多神經(jīng)回路結(jié)構(gòu)是守恒的。
隨著未來繪制更多其他生物的大腦連接組,不同連接組之間的比較將揭示常見的、可能是最佳的回路結(jié)構(gòu),以及生物體之間行為差異的特質(zhì)。
在果蠅幼蟲大腦中觀察到的一些結(jié)構(gòu)特征,包括多層shortcuts和顯著的嵌套循環(huán),都能夠在最先進的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中發(fā)現(xiàn),或許可以彌補當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)在深度、處理任務(wù)泛化上的問題,這些特征也可以增加大腦的計算能力,克服神經(jīng)元數(shù)量的生理限制。
未來對大腦和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)之間的相似和差異的分析可能有助于理解大腦的計算原理,并可能啟發(fā)新的機器學(xué)習(xí)架構(gòu)。
相關(guān)評論
英國埃克塞特大學(xué)神經(jīng)科學(xué)教授加什帕爾·耶凱伊表示,大腦的所有神經(jīng)元都被重建,并且所有神經(jīng)連接都得到了分析。他稱這項工作「非常重要」。
美國哈佛大學(xué)的凱瑟琳·杜拉克認為,這些數(shù)據(jù)揭示了這些神經(jīng)元連接的「深層邏輯」。
不過,紐約愛因斯坦醫(yī)學(xué)院的斯科特·埃蒙斯認為,僅僅繪制出突觸并不能提供全貌。
埃蒙斯于2019年繪制出了雌雄兩性的秀麗隱桿線蟲的連接組,神經(jīng)元還可以通過荷爾蒙等緩慢釋放的化學(xué)物質(zhì)以及細胞之間的其他連接(即縫隙連接)相互交流。
所有這些都必須考慮在內(nèi),但新繪制的連接組中只包括突觸。
參考資料
https://www.science.org/doi/10.1126/science.add9330
https://techcrunch.com/2023/03/09/with-this-brain-map-we-are-one-step-closer-to-total-fruit-fly-simulation/
https://www.npr.org/sections/health-shots/2023/03/09/1161645378/scientists-first-wiring-map-fruit-fly-brain-connectome-human-learning
https://neurosciencenews.com/neuron-brain-map-22748/
https://www.engadget.com/scientists-create-the-most-complex-map-yet-of-an-insect-brains-wiring-085600210.html
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