人工智能与连接组结合的新型策略：神经回路功能预测的突破

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949次浏览发布时间：2024-09-20 15:27:24

　　在神经科学领域，研究人员长期以来一直面临如何有效测量和理解神经回路中每个神经元活动的问题。虽然现代技术已经能够成功测定神经元的连接性，但在动态变化和神经计算方面仍有许多未解之谜。为了揭示神经回路的功能机制，图宾根大学等机构的科学家们在一篇发表在《自然》期刊的文章《Connectome-constrained networks predict neural activity across the fly visual system》中，提出了一种利用人工智能(AI)与连接组结合的新型策略。这一策略不仅能够从连接性数据中推测出神经元的功能，还能够通过AI模拟预测果蝇视觉系统中的神经元活动，为理解神经回路的计算原理提供了新的工具。

　　从连接组数据到神经回路功能预测

　　当前，神经科学家已经能够准确测量神经元之间的连接性，生成所谓的“连接组”——一种描述神经元及其连接的完整图谱。然而，单纯的连接组只能提供神经网络的静态快照，无法揭示神经元如何进行动态计算。研究人员希望能够通过连接组推测出神经元的功能和动态变化，进而预测大脑的计算方式。此次研究正是基于此目标，通过将连接组数据输入AI模型，研究人员成功预测了果蝇视觉系统中的神经元活动，并为未来的大脑研究提供了新的方向。

　　研究人员仅依靠从果蝇视觉系统连接组中收集到的神经回路连接性数据，结合AI的深度学习算法，便能够准确预测单个神经元的活性，而无需在活体实验中进行测量。这一突破表明，借助连接组与AI结合的新策略，神经科学家能够在不借助复杂实验的前提下，预测大脑中各个神经元的活动，从而对大脑回路的功能进行推测。

　　AI与连接组：从静态到动态的突破

　　此次研究的关键在于如何通过静态的连接组数据推测动态的神经活动。以往的实验需要在实验室中对活体动物的大脑进行详细测量，耗费大量时间和资源。通过结合AI与连接组，研究人员能够利用深度学习算法推断出每个神经元的动态特性，尽管他们没有直接测量这些神经元的活动。AI模型不仅能够再现已有实验的结果，还能够揭示新的神经元功能，帮助科学家更好地理解大脑是如何通过神经元连接来计算和处理信息的。

　　在这项研究中，研究人员创建了一个详细的神经网络模型，其中的每个神经元和突触都与果蝇大脑中的真实神经元和突触相对应。尽管并没有关于每个神经元和突触的动态数据，但研究人员通过深度学习方法推断出这些未知的参数，并将其与神经回路的功能目标(如运动检测)相结合。研究表明，这一策略能够准确预测64种神经元对视觉输入的反应，并再现过去二十多年实验中的结果。

　　连接组数据如何改变大脑研究方式

　　这项研究最为显著的突破之一在于，它展示了连接组数据如何能够改变神经科学家们产生并验证假设的方式。过去，研究人员需要通过繁琐的实验来验证他们关于大脑功能的假设。如今，通过连接组与AI结合的策略，科学家们可以在生成假设的同时，利用AI模型直接进行测试和验证。这一新策略不仅能够加速研究进程，还能够显著减少实验时间和资源的消耗。

　　研究人员生成了超过450页的预测结果，包括识别出了一些此前未被发现的、可能参与运动检测的细胞。这些细胞可以通过后续的实验加以验证，为未来的大脑研究提供了新的突破口。这种基于连接组数据的预测模型能够帮助神经科学家更好地理解大脑复杂的神经计算机制，同时为跨物种和不同大脑区域的研究提供了广泛的应用可能性。

　　新策略的应用潜力与未来发展

　　研究者认为，这一新型策略特别适用于神经元连接稀疏的场景，这是生物学神经网络中普遍存在的一个特征。果蝇视觉系统是一个很好的示范案例，研究人员通过连接组与AI模型的结合，不仅能够预测神经元的动态活动，还能够生成更加全面的假设用于未来实验研究。这一突破表明，AI和连接组结合的策略具有跨物种的普遍适用性，未来甚至可能应用于哺乳动物，甚至人类的大脑研究。

　　随着AI技术的不断进步，这一策略有望在神经科学研究中发挥更大的作用。传统的实验方法需要长时间的数据采集和分析，而借助AI模型，研究人员可以快速生成关于神经回路功能的预测，极大地提升了研究效率。同时，连接组与AI技术的结合还能够帮助神经科学家进一步理解神经系统的复杂计算过程，并推动新一代神经科学技术的发展。

　　结论

　　本文展示了研究人员通过结合AI与连接组提出的一种新型策略，能够通过神经回路的连接性测量，推测出神经元的动态活动。研究不仅为果蝇视觉系统的神经回路研究提供了新的工具，也为跨物种和跨区域的大脑研究开辟了新的路径。随着技术的进步，AI与连接组结合的策略将在神经科学领域发挥越来越重要的作用，为人类理解大脑的复杂性提供了前所未有的机遇。

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