IF50.5｜果蝇成体全脑神经元连接组图谱

首个包含139,255个神经元和5,450万个化学突触的果蝇成体全脑连接组，为神经科学提供完整参考。

这篇按生信解读号的读法拆：先看背景和问题，再看作者怎么做、做出了哪几条硬发现，最后把数据和代码收走。

研究背景

连接组学旨在通过电子显微镜成像和计算重建，在突触水平绘制神经元之间的连接图谱。此前已有线虫、果蝇幼虫和果蝇半脑等局部连接组，但受限于体积，无法覆盖全脑范围。果蝇大脑虽小，却包含约10万个神经元和1亿个突触，支持视觉、嗅觉、学习记忆、社会行为等复杂功能。全脑范围的神经活动记录表明，感觉和运动信息广泛分布于整个大脑，因此理解脑功能需要全局尺度的连接信息。

科学问题

卡在哪里： 现有连接组资源多来自部分脑区，如半脑重建仅包含约2万个神经元，且缺少食管下区、视叶和跨半球连接，无法追踪从感觉输入到运动输出的完整通路。

本文要回答： 构建果蝇成体雌性全脑的完整神经元连接组，并利用该资源分析全脑信息流和感觉运动通路。

技术路线

作者主要用了：连续切片透射电子显微镜、自动分割、人工校对、突触预测、神经递质预测。

作者基于先前公开的果蝇全脑电子显微镜图像，利用卷积神经网络进行自动分割，并通过分布式社区和集中团队进行人工校对，重建了139,255个神经元。随后，整合自动突触检测和神经递质预测，构建了包含5,450万个化学突触的连接组。在此基础上，作者将神经元按信息流分类，计算脑区间的投射组，并采用概率模型追踪从感觉输入到运动输出的信息流路径。

图 1　Fig. 1。图1展示全脑重建概览：a为所有神经元形态，b为FlyWire资源生态，c为软件工具互操作，d为投射组矩阵，e-f为电子显微镜图像和突触细节。该图强调资源完整性和开放性。

核心亮点

亮点 1｜全脑连接组规模与质量

重建的果蝇成体雌性全脑包含139,255个神经元和5,450万个化学突触，神经纤维总长约149米。与半脑连接组相比，新增了食管下区、双侧视叶和跨半球连接。校对质量评估显示，神经元重建的平均F1分数达99.2%（按体积），突触前位点附着率93.7%，突触后位点附着率44.7%。该资源通过FlyWire平台开放，支持交互式浏览、程序访问和下载。

图 2　Fig. 2。图2按信息流对神经元分类：a为内在、传入、传出三类及超类，b为超类间突触连接图，c为各类神经元渲染，d为神经和颈部连接中的传入/传出神经元。该图揭示大脑以内在神经元为主。

亮点 2｜神经元分类与投射组

根据突触位置，神经元被分为内在、传入和传出三类，其中内在神经元占85%，表明大脑主要与自身通信。进一步细分为九个超类，并构建了78个神经纤维网区域间的投射组矩阵。分析显示，大多数投射为同侧，跨半球投射较弱，但中央复合体和食管下区等中线结构例外。投射组还揭示了神经递质特异性的连接模式，例如中央复合体和蘑菇体主要由兴奋性连接构成。

图 3　Fig. 3。图3展示神经元形态与突触分布：a为细胞体与神经纤维网分离，b为神经元分区，c为形态多样性，d为路径长度分布，e-f为连接强度分布，g为度分布，h为突触数与度相关。该图量化了神经元几何与连接特性。

亮点 3｜视叶与中央脑的交互

重建包含完整视叶，包括约800个小眼对应的柱状结构。视觉投射神经元（VPN）将视叶信息传递至中央脑，其中892个中央神经元超过一半的突触输入来自VPN。反向的视觉离心神经元（VCN）数量虽少（524个），但半数视叶神经元接受其输入，表明中央脑对视叶存在广泛反馈。VCN中包括与昼夜节律相关的肽能神经元。

图 4　Fig. 4。图4展示全脑神经纤维网投射组：a为投射矩阵，b为构建方法示意，c-d为示例神经元投射，e为神经元跨越神经纤维网数量分布，f为食管下区放大。该图揭示脑区间连接模式及同侧优势。

亮点 4｜信息流分析揭示感觉运动通路

利用概率遍历模型，从不同感觉模态的传入神经元出发，追踪信息流至传出神经元。结果显示，几乎所有中央脑神经元均可从任一感觉模态到达，但中央复合体例外，提示其内部计算主导。抑制性神经元在早期被优先激活，且不同感觉模态均呈现GABA能和谷氨酸能神经元的交替激活模式。该分析为理解感觉信息如何转化为运动指令提供了框架。

图 5　Fig. 5。图5展示视叶柱状结构：a为视叶渲染，b为Mi1神经元及其连接伙伴，c为Mi4、Dm12等柱状和多柱状神经元，d为LPi14细胞的不规则覆盖。该图强调视叶内精细连接和空间覆盖规律。

亮点 5｜单眼通路：从光感受器到下行神经元

以单眼神经节为例，追踪了从273个光感受器到下行运动神经元的完整通路。发现OCG01中间神经元分为兴奋性（乙酰胆碱）和抑制性（谷氨酸）两类，分别接收同侧和对侧单眼输入，形成推挽式结构。下游15个下行神经元接受超过200个突触输入，其中DNOVS1等整合单眼和复眼运动信号，可能参与飞行稳定。该通路展示了连接组在解析感觉运动行为机制中的价值。

生信可带走

这一块是给做分析的人用的，不是科普点缀。

• 方法栈： 连续切片透射电子显微镜、自动分割、人工校对、突触预测、神经递质预测
• 公开数据： 原文未给出公开组学登录号
• 代码： 公开仓库 https://github.com/google/neuroglancer、https://github.com/murthylab/codex、https://github.com/navis-org/fafbseg-py；本地已克隆：neuroglancer、skeletor、codex、fafbseg-py、navis、FlyConnectome
• 谁该点开原文： 神经科学研究者、连接组学分析人员、计算神经科学家及对果蝇行为机制感兴趣的研究生。

带走一句

全脑连接组为神经科学研究提供了完整参考，分析时应考虑突触阈值、神经递质预测和投射组等资源，并利用开放平台进行交互式探索。