雄性果蠅連接組圖譜涵蓋大腦與神經索的 166,691 個神經元
研究人員發表了一份涵蓋大腦、視葉及腹側神經索、含有 166,691 個神經元的雄性果蠅連接組。
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Google Research、霍華德．休斯醫學研究所（Howard Hughes Medical Institute）的 Janelia Research Campus，以及一個國際合作團隊，發表了一份成年雄性果蠅中樞神經系統的突觸解析度連接組。這項重建包含 166,691 個經校對的神經元，涵蓋中央大腦、兩側視葉及腹側神經索——這種昆蟲結構常被比作脊椎動物的脊髓。
Google 將這項資源描述為按經校對神經元數量計算，至今規模最大的腦部圖譜。該資源記錄約 1.25 億個突觸連接及 11,691 種已註釋的神經元類型。相關研究於 2026 年 9 月 3 日刊登於 *Cell*，而 Google AI 則於 9 月 9 日公開介紹這項工作。
這項成果並非模擬果蠅的心智，而是一份結構圖譜，展示神經元、其形態，以及訊號可能經過的實體連接。其即時價值在於，研究人員現可檢視由感覺輸入出發、穿過較高階腦區，再連至與運動及其他身體行為相關迴路的連續路徑。
一、新連接組包含甚麼
MaleCNS 資料集重建了一隻成年雄性 *Drosophila melanogaster* 的中樞神經系統。其範圍包括中央大腦、負責視覺處理的視葉、頸部連接束及腹側神經索。
這種連續覆蓋十分重要。較早期的連接組往往分別繪製大腦或神經索；研究完整的感覺至運動路徑時，研究人員須在不同標本及資料集之間配對神經元。MaleCNS 在同一標本中保留大腦與神經索之間的連接，讓研究人員可追蹤一條迴路，而無須跨越兩份重建圖之間的人為邊界。
該項目承接多個早期里程碑。2020 年的「半腦」重建涵蓋雌性果蠅部分大腦中約 25,000 個神經元及 2,100 萬個連接。2024 年，FlyWire Consortium 發表了一份完整的成年雌性大腦，包含 139,255 個神經元及 5,450 萬個突觸。另一份 2026 年的大腦與神經索資料集其後將雌性大腦和腹側神經索結合，該資源報告有 155,916 個經校對或大致校對的神經元。
因此，MaleCNS 並非第一份完整果蠅大腦圖譜，也不是第一份大腦與神經索重建圖。其獨特貢獻是完成了一個雄性中樞神經系統、在腦部圖譜中擁有已發表的最高經校對神經元數目，以及提供一個可在個別突觸解析度下與現有雌性連接組比較的參考資料。
「完整」一詞亦須加以說明。作者以此描述重建圖的解剖覆蓋範圍，以及其對幾乎所有可追蹤神經元的統計，而不是聲稱每一項生物學細節均毫無錯誤。由於樣本邊緣偽影或分割問題，少量細胞無法重建。
研究指出，在神經網區域中，94% 的突觸前位點及 42% 的突觸後位點與經校對神經元相關。就已偵測到的突觸連接而言，40.1% 的兩端均屬於經校對神經元。這些比率與較早期的大型連接組相若或更佳，但亦清楚表明「完整接線圖」並不代表對每個突觸均有完美無缺的清點。
二、AI 與人手校對如何製作這份圖譜
重建工作由增強型聚焦離子束掃描電子顯微鏡開始。七套顯微鏡系統歷時 13 個月，以八納米的各向同性解析度，為 0.082 立方毫米的體積成像。所得資料集包含約 160 太體素。
計算系統將顯微影像對齊成連貫的三維體積。Google 的洪水填充網絡其後進行初步神經元分割。這些卷積神經網絡由影像中的一個位置出發，預測周圍哪些像素屬於同一生物物體，從而可透過運算分離彼此交纏的長神經突起。
演算法亦偵測可能的突觸、細胞核及神經傳遞物質特性。這些預測將電子顯微鏡體積轉化為候選的神經元形態及連接，供專家檢查。
AI 並未取代人手重建。自動分割可能錯誤地將兩個神經元合併，或把一個神經元拆成多個碎片，而這些錯誤可扭曲所有後續的連接性分析。因此，人類專家審閱生成的結構、修正分割錯誤，並加入解剖及細胞類型註釋。
論文估計，校對初始分割結果需要約 44 人年工作量。研究人員檢查每個具有超過 100 個突觸連接的自動分割碎片，並以偵測到的細胞核作為額外的統計機制。在 141,780 個偵測到的神經元相關細胞核中，98.9% 直接連接至經校對神經元；團隊估計，餘下部分幾乎全部亦已透過其以碎片為本的審閱涵蓋。
這種分工是本次公布背後的主要 AI 成果。機器學習令將納米尺度影像體積轉化為候選三維神經元變得可行，但生物學專家仍負責驗證結構及詮釋其代表的意義。因此，這份資料集是一項由 AI 輔助的科學重建，而非自主發現系統或大型語言模型的產物。
三、現可逐一突觸比較雄性與雌性大腦
雄性圖譜首次讓研究人員能以突觸解析度，全面比較雄性與雌性果蠅大腦連接組。研究人員配對出 7,205 種在兩性之間結構相似的神經元類型，將 114 種共有類型歸類為性別二態性，並識別出 262 種雄性特有及 69 種雌性特有類型。
「性別特有」類型出現在其中一種性別，卻在另一份參考連接組中沒有直接對應物。「二態性」類型則在兩性中均存在，但其形態或連接性不同。這些類別合共佔雄性中央大腦神經元的 4.8%，以及雌性中央大腦神經元的 2.4%。
肉眼可見的不同神經元數目相對較少，掩蓋了其在網絡中的影響範圍。研究估計，雄性大腦約 18% 的神經元及雌性大腦約 8% 的神經元，參與了兩份資料集之間顯著不同的連接。性別特有及二態性神經元亦不成比例地彼此連接，形成集中區域，使有限的結構改變可影響更廣泛的迴路。
這些差異並非平均分布。研究人員發現，位於周邊的感覺及運動神經元在雄性與雌性之間大致相似，而性別特有及二態性神經元則集中於較高階的大腦中心。部分迴路充當開關，將共有的感覺資訊導向不同的下游路徑。
註釋資料包括轉錄因子 *fruitless* 及 *doublesex* 的表達資訊；兩者均與果蠅的性別分化有關。這讓研究人員可將基因調控與細胞身分、迴路架構，以及求偶和攻擊等實驗觀察到的行為連繫起來。
單靠連接組無法證明某個特定連接會引起某種行為。相反，它可縮小實驗搜尋範圍：科學家可識別候選神經元或路徑，在活體果蠅中操控它們，並測試預測的行為效應是否出現。
四、開放研究資源，而不只是一幅已發表的圖像
MaleCNS 1.0 版於 2026 年 6 月 8 日發布，早於經同行評審論文在 9 月刊出。資料集採用 CC BY 授權，可透過 Neuroglancer、neuPrint、Clio 及專用的細胞類型瀏覽器探索。
研究人員亦可下載分割體積、神經元骨架、註釋、神經傳遞物質預測、突觸位置、夥伴表格及完整連接圖。Janelia 同時提供程式化存取，以及支援公開 neuPrint 實例的可下載 Neo4j 資料庫。
這些存取方式令連接組不只對建構它的團隊有用。研究視覺的實驗室可取得特定感光受體下游的神經元；行為研究人員可檢視感覺神經元與運動輸出之間的路徑；而計算神經科學家可分析整個網絡，而無須重複進行成像和重建程序。
與主論文一同發布的三項配套研究，將此資源應用於視覺處理、味覺及社會行為。其中一項繪製出由 R1–R6 視覺神經元通往 DNg13 運動神經元的路徑，當中包括一個與「愛情斑點」相關的雄性特有神經元；「愛情斑點」是參與求偶的特殊視覺區域。其他分析則追蹤味覺資訊如何由遍布身體的感覺神經元，進入與進食、運動、荷爾蒙釋放及求偶相關的迴路。
這份圖譜亦提供標準化細胞類型，可與光學顯微鏡影像、基因驅動品系、生理記錄及過往連接組配對。這種互通性十分重要，因為只有當研究人員能在活體動物中識別及操控相應細胞時，結構預測才會在實驗上有用。
五、這份圖譜能解釋及不能解釋甚麼
連接組記錄的是實體接線，而不是運作中神經系統的完整狀態。它不會直接捕捉瞬息萬變的電活動、神經調節、學習、突觸可塑性，或果蠅的經歷與內在狀態所帶來的影響。因此，單靠這份圖譜無法重現果蠅的行為，亦無法確立個別神經元「代表」甚麼。
這項重建亦只代表一個雄性標本。與雌性資料集的比較，包含真正與性別相關的差異、個別動物之間的一般變異，以及成像或重建方法可能引入的差異。研究人員利用形態、連接性及已知遺傳標記作出保守配對，但仍須有更多雄性及雌性連接組，才能量度群體層面的變異。
其實際貢獻較為明確且可測試。MaleCNS 為神經科學家提供一個共同、可檢視的參考資料，用以形成關於感覺資訊如何到達運動及行為迴路的假設。它亦展示，AI 輔助分割、大規模電子顯微鏡及有系統的人手校對，可製作出一幅包含超過 166,000 個已驗證神經元的完整中樞神經系統圖譜。
常見問題
這是第一份完整果蠅大腦圖譜嗎？
不是。研究人員在 2024 年發表了一份含有 139,255 個神經元的成年雌性大腦連接組。MaleCNS 是首份完成的整個雄性果蠅中樞神經系統連接組，亦是按經校對神經元數目計算規模最大的腦部圖譜。
資料集是否包括果蠅的脊髓？
它包括腹側神經索——一種與脊椎動物脊髓相似的昆蟲結構——以及與大腦完整相連的頸部連接束。
AI 是否在沒有人類協助下繪製神經系統？
不是。AI 系統負責對齊影像、分割神經元及偵測候選突觸，但專家估計花了 44 人年校對結構並加入註釋。
這份連接組是否果蠅的運作模擬？
不是。它是一份結構接線圖。要模擬行為，還需要神經活動、突觸動力學、感覺輸入、肌肉，以及身體與環境互動的模型。
研究人員可否下載資料？
可以。Janelia 以 CC BY 授權提供可下載的體積資料、註釋、神經元骨架、連接性表格、突觸資料及資料庫匯出檔。
參考來源
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