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果蠅大腦圖譜首度面世 助破解神經疾病 發展全新AI網絡

By on March 14, 2023

原文刊於信報財經新聞「StartupBeat創科鬥室」

科學家正着手繪製果蠅成蟲的大腦圖譜。（網上圖片）

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。

研究團隊發現，果蠅幼蟲的大腦跟人腦一樣，分為左右兩邊。（網上圖片）

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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