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2023年3月14日

StartupBeat 創科鬥室

果蠅大腦圖譜首度面世
助破解神經疾病 發展全新AI網絡

大自然生物的奇妙構造,啟發科學家無數靈感。英國劍橋大學及美國約翰霍普金斯大學科研團隊花上12年時間,完成全球首張高清完整版果蠅幼蟲大腦圖譜,當中顯示3016個神經元及54.8萬個突觸連接,有助理解大腦如何學習、記憶及控制動物的行為,進一步了解神經系統疾病,推動人工智能(AI)技術發展,論文發表在學術期刊Science

基本生物學特性接近人類

科學界其實早在上世紀七十年代開始,已着手研究各種微小蛔蟲,例如秀麗隱桿線蟲、玻璃海鞘幼蟲、杜氏闊沙蠶等的腦部,但牠們最多只有數百個神經元及數千個突觸連接。團隊今次特意揀選果蠅幼蟲,除了已對其基因組測序,亦發現牠具備複雜的學習、決策及導航行為,與人類共享不少基本生物學特性,是神經科學界研究最多的動物之一。

科研團隊首先使用出世僅6小時、大小與一粒鹽相若的雌性果蠅幼蟲,把其大腦切成數千塊薄片,再以電子顯微鏡捕獲每塊切片的圖像。即使採用最好的現代技術,要為每個神經元成像,需要約一天時間。數據齊備後,團隊再花3年多時間創建原始代碼,以分析大腦的連接性,例如訊息如何通過大腦傳播。

細胞3D渲染圖顯示,果蠅幼蟲的大腦跟人腦一樣,分為左右兩邊。昆蟲大腦是多層式設計,連接大腦通路長度不一。團隊更發現,41%大腦神經元形成「循環回路」,這些大腦網絡的捷徑及循環,不但增加大腦計算能力,亦彌補了神經元的數量限制;若套用在電腦科學及AI研究,就類似最先進的人工神經網絡。

冀10年內投入研究小鼠

是次發表的果蠅幼蟲大腦圖譜,除了可用作研究阿茲海默症、柏金遜症、思覺失調症等大腦疾病,亦有助設計機器學習架構,甚至開發全新的AI系統,例如編寫通向人腦網絡的程式。約翰霍普金斯大學團隊指出,正繪製果蠅成蟲的大腦圖譜,冀10年內向小鼠大腦進發,這無疑是一項艱巨任務,因其體型估計比果蠅幼蟲至少大100萬倍。

美國全國公共廣播電台(NPR)提到,要繪製小鼠皮層連接圖,小如沙粒的一毫米立方體便已有10億個連接、10萬個神經元及4公里長的神經線。人類腦部設計更複雜得多,包含超過800億個神經元及數百萬億個突觸,但繪製大腦圖譜仍是值得。若以大腦比喻為收音機的話,如擁有接線圖,一旦裝置出現問題,就能更快把它修理好。

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