在一个用透明玻璃方块构建的虚拟空间里,一只小巧的果蝇在游戏《Minecraft》中自由飞翔。四周墙壁透彻如镜,灰色石砖的地面与外面Minecraft的蓝天形成鲜明对比。那只红褐色的果蝇扇动着微小的翅膀,飞行不规则而灵动,随着每一次转向和翻身,其姿态仿佛真实的果蝇在探索未知的环境。然而,这一切的运动并非依赖游戏脚本驱动,而是来源于一套完整的雄性果蝇中枢神经系统连接图。166,700个神经元在这幅图谱下模拟放电,神经活动直接决定了果蝇在虚拟世界中的每一次动作。
这一称为MaleCNS v1.0的脑图谱是经过HHMI Janelia、剑桥大学和谷歌研究团队长达十年的不懈努力所取得的成果。人工校对过程耗费了44个人年,最终,这项杰出的研究成果在9月3日的《Cell》期刊发表。然而,仅在两天后,这一科研成果就被一位名为Evan Smith的佐治亚理工学院研究生成功地整合进了游戏之中,他的助手是GPT-6 Astra。Evan Smith在努力将十年的科研成果转化为一种沙盒游戏中的仿真模块,仅用了不到一周的时间,打破了前沿科学与个人创作者之间的壁垒。Evan在社交媒体上发布了三句短语:“V1仍在开发中”,“借助GPT-6 Astra完成”,“代码和模组即将放出。”随即,这一信息引发热烈讨论,评论区瞬间沸腾。有人惊呼这是果蝇版的《黑客帝国》,也有人对这只模拟果蝇的命运表示遗憾,想象着它看不到任何气味而在虚拟世界中沉迷。
尽管代码尚未公开,然而这一事件无疑传递了一个重要信息:全脑仿真的准入门槛正在变得极为低廉,普通的个人项目也能实现这样的成果。MaleCNS图谱是迄今为止最完整的雄性果蝇中枢神经系统连接组。它不仅仅是一颗大脑,更是一个涵盖中央脑、视叶以及相当于果蝇脊髓的腹神经索的复杂网络。最值得注意的是,颈部神经连接的完整保留首次说明了如何通过大脑来控制身体的动作,打破了科学家对果蝇行为机制的全面了解。 ued官网体育
MaleCNS的结构划分为三部分:中央脑(绿色)、视叶(紫色)、腹神经索(蓝色),它将听、视觉及嗅觉输入转化为运动输出,首次在同一视图中实现了连通。研究者们进一步发现了262种雄性特有细胞类型以及114种两性形态不同的细胞类型,这些差异主要集中在高阶脑区,解释了果蝇在求偶和攻击行为中显著的性别差异,并证明了微小的神经回路变化可以带来全脑层面的影响。
取得这一切的过程可谓艰辛。研究人员对一只果蝇进行几百万次切片,通过电镜扫描再逐层解析。接着,谷歌运用了先进的泛洪填充网络(flood-filling networks)和PATHFINDER系统,将大量的2D切片重构成3D的神经元形态,最后由Janelia的专家们逐个进行人工校对和注释。生命的秘密在他们的心血与技术的结合中缓缓揭示。此脑图谱不仅以1.25亿个突触的复杂连接展示其丰富性,同时在学术界的贡献也毋庸置疑。所有的数据都遵循CC-BY协议完全开源,用户只需注册并获得一个token便可轻松通过一行命令(pip install)将所需数据下载到本地。
不过,从静态的接线图到能够在虚拟世界中飞行的果蝇,工程师们在其中进行了几项至关重要的转换工作。首先,必须将神经元动力学实现,即每个神经元如何积累信息、何时放电,都需要数学模型的支持,目前学界经典的模型为漏电积分放电模型(Leaky integrate-and-fire)。只有引入这些动力学方程,静态的神经连接才能转化为动态的信息流。 ued官网体育
其次,果蝇的视觉神经元需要准确编码《Minecraft》中的光照、玻璃方块等信息。最后,从神经系统发出的电信号如何被翻译为角色在游戏中的物理运动,也是工程实现的重点。恰巧的是,这次《Cell》论文为实现这些转换提供了明确的路径:从R1到R6的视觉神经元,再到DNg13的运动神经元,这一视觉—运动链路已被完全探明。只要在此链路上接口正确,虚拟果蝇便会对前方的物体做出真实反应。
在如此快速迭代的时代,Evan Smith这一研究的成功绝不仅仅是一位硕士生的个人成就,更是科研与技术结合的典范,显示了开放科学和前沿技术如何共同推动着整个领域的进步。这样的速度和成果无疑将吸引更多的创作者和科学家参与到这一颠覆性的探索中,期待着未来在这个领域的更多奇迹。