基于全脑连接组学的殖民神经元（Colonist Neurons）识别与结构表征：果蝇（Drosophila melanogaster）幼虫与成虫跨脑区信息整合的图挖掘研究

《Electronics》：Object-to-Pixel Visual Understanding for Automated Packaging Waste Sorting in Sustainable Educational Recycling Ecosystems

　　

摘要专业翻译 生物体的连接组（connectome）代表其神经元连接的复杂网络，负责记忆、学习、感知和注意等复杂大脑活动。复杂生物体连接组的全面映射是一项具有挑战性的问题。然而，得益于神经影像技术和计算方法的进步，研究人员已经能够重建简单生物体的完整连接组。已重建完整连接组的最复杂生物体是黑腹果蝇（Drosophila melanogaster），通常称为果蝇。该生物体幼虫和成虫阶段的完整连接组在过去几年中已为人所知。基于这一知识，研究人员提出了多种研究以更好地理解该生物体的大脑功能。本文属于这一研究方向，提出识别并随后表征“殖民神经元”（colonist neurons），即一类新型神经元，它们对与其所在区域物理上相距遥远的大脑区域施加实质性影响。本文给出了这些神经元的精确定义，并证明它们具有一些极其有趣的特性，包括（但不限于）能够强互连形成骨干网络（backbone），以及能够在遥远区域形成对其施加影响的菌落（colonies）。除了研究殖民神经元，本文还提出对其菌落的研究，即它们通过在遥远大脑区域施加影响所经由的神经元集合。从计算角度来看，所提出的方法是一个基于图的数据挖掘框架，结合空间网络分析和无监督学习，以识别大规模连接组数据中未被认识的组织模式。这种组织以局部菌落通过稀疏的长程投射相连以及由有影响力的神经元组成的骨干为特征，也可能为设计和分析生物启发的人工神经系统提供结构见解。

论文解读文章

一、研究背景与问题

连接组（connectome）是生物体神经连接的复杂网络，是记忆、学习、感知和注意等复杂大脑功能的基础。近年来，神经科学领域的研究表明，人类大脑连接的特异性变化与多种神经疾病相关，包括自闭症、癫痫、阿尔茨海默病和帕金森病等。此外，连接组研究还为日益复杂的人工神经网络的发展提供了宝贵见解。

结构连接组研究面临重大挑战。虽然功能连接组可通过非侵入性技术获取，但重建全脑结构连接组本质上极为困难。目前，已重建完整连接组的最复杂生物体是黑腹果蝇（Drosophila melanogaster），其幼虫和成虫阶段的完整连接组已在过去数年中得以公开。尽管果蝇看似简单，但它能够执行相当广泛且多样的脑活动，包括学习和决策。

此前对长程投射神经元（Long-Range Projection Neurons，LRPNs）的研究主要集中于小鼠、大鼠和猴子等复杂生物体，且多聚焦于功能层面。由于完整结构连接组的重建与LRPNs分析均极具挑战，尚无研究在全脑层面考察LRPNs的特性。这一空白正是本文的核心切入点。

二、研究内容与意义

本文聚焦于果蝇幼虫和成虫完整连接组的前沿研究，首次在全脑层面开展了LRPNs分析，并在此基础上定义、检测和表征了一类特殊的神经元亚群——“殖民神经元”（colonist neurons）。殖民神经元数量虽少，但能通过长程投射（long-range projections）对物理上遥远的大脑区域中的神经元施加实质性影响。本文的核心贡献包括：第一，首次在全脑层面分析LRPNs；第二，正式定义殖民神经元并建立其检测框架与结构表征方法；第三，研究并表征殖民神经元的菌落（colonies），即殖民神经元通过其影响遥远区域的神经元群体。

从计算角度而言，本文的贡献主要是方法论层面的，涉及图表示、空间网络挖掘、模式检测、降维和无监督聚类等技术。果蝇连接图作为一个大规模真实网络，为这些计算方法的开发和验证提供了理想平台。此外，识别稀疏长程连接、局部菌落和协调骨干网络，可能为生物启发的人工智能提供有用的组织原则，其中局部专门化模块之间的高效通信是一个重要的设计挑战。

三、关键技术方法

研究人员构建了基于复杂网络的果蝇连接组模型，使用幼虫和成虫全脑连接组数据。幼虫数据来自文献[31]提供的五个邻接矩阵（树突-树突、轴突-树突、树突-轴突、轴突-轴突及ALL-ALL矩阵），成虫数据来自文献[32,39,40]提供的邻接矩阵。分析中主要使用ALL-ALL矩阵，忽略权重，将连接组视为无权有向网络。研究人员还构建了神经元距离网络（Neuron Distance Network），存储所有相连神经元对的欧氏距离。在此基础上，研究人员提出了一系列形式化定义（候选殖民神经元、目标集、目标网络、剪枝目标网络、目标连通分量集、殖民神经元、菌落），通过距离阈值参数识别殖民神经元及其菌落。此外，还采用了层次模块性分析、度保持随机化（degree-preserving randomization）对照、主成分分析（Principal Component Analysis，PCA）结合期望最大化（Expectation-Maximization，EM）聚类、以及空间约束零模型（spatially constrained null model）等方法进行验证分析。

四、研究结果

4.1 果蝇连接组的探索性数据分析

幼虫和成虫连接组的基本特征对比显示：成虫的神经元数量、连接数量和平均路径长度远高于幼虫（神经元数量高约两个数量级，连接数量高约一个数量级，平均路径长度高约四倍）；但成虫的平均节点度、平均聚类系数和密度均低于幼虫。这表明果蝇发育过程中，神经元的增加速度超过连接的增加速度，神经元趋向分化和选择性连接。层次模块性分析显示，成虫脑中低度神经元属于内聚模块而枢纽节点连接未连接神经元，这是层次模块性的标志，在幼虫中则弱得多。此外，成虫各功能区域的平均欧氏距离普遍大于幼虫，与大脑的物理生长一致。

4.2 殖民神经元在各功能区域的分布

幼虫连接组中，殖民神经元百分比在不同区域差异极大，从“ascending”“MBIN”“MBON”“MB-FBN”区域的0%到“KC”区域的74.31%。KC区域的高百分比令人惊讶，因为该区域的平均欧氏距离最低，但KC神经元常作为跨多个脑区连接的突触前神经元，整合来自远处感觉器官的信息。成虫中殖民神经元百分比普遍远低于幼虫，从“descending”“motor”“endocrine”区域的0%到“central”区域的5.20%，最中心脑区的神经元殖民百分比最高。

4.3 殖民神经元的中心性与离心率

在幼虫中，54.08%的殖民神经元属于度中心性最高的前20%神经元，8.15%同时属于度、接近和介数中心性前20%。KC区域87.85%的殖民神经元属于度中心性前20%。在成虫中，44.29%的殖民神经元属于度中心性前20%，28.03%同时属于三种中心性前20%。从幼虫到成虫的转变中，殖民神经元的高中心性特征显著增强。区域特异性分析表明，成虫中殖民神经元比同区域其他神经元更中心化。关于离心率，殖民神经元的离心率并不特别高，幼虫和成虫中分别仅9.44%和8.95%属于离心率前20%，因为殖民神经元在自身区域内以局部连接为主，同时通过长程投射连接远处区域。

4.4 殖民神经元与大脑半球的关系

殖民神经元在左右半球的分布总体均衡，但存在区域差异。幼虫中KC区域右半球殖民神经元百分比明显高于左半球；成虫中“optic”区域右半球偏多。幼虫中69.53%的殖民神经元具有对侧同源神经元，且多为殖民神经元配对；成虫中几乎所有殖民神经元都有同源神经元，但主要为非殖民神经元。区域间连接图分析显示，殖民神经元在幼虫中形成了KC与MBON、MB-FBN、MBIN等区域间的强连接，在成虫中形成了optic与central、visual projection等区域间的强连接。幼虫中72.96%的殖民神经元仅在对侧半球有长弧，而成虫中仅同侧和仅对侧有长弧的殖民神经元数量基本相当。

4.5 殖民神经元连接分析

幼虫中94.94%的殖民神经元仅连接一个菌落，成虫中为95.77%。幼虫中绝大多数殖民神经元的长弧比例不超过15%；成虫中殖民神经元分布更广，且最后一个区间出现显著增加——这些神经元平均出度为49.39条弧，其中99.41%为长程投射。连接类型分析显示，幼虫中从全部神经元到殖民神经元（仅长弧），轴突-轴突或轴突-树突弧的百分比从89.11%增至95.70%，证实殖民神经元与LRPNs有强关联。成虫中神经递质分析显示，ACH是殖民神经元中最主要的神经递质，在除“visual projection”外的所有区域中占比显著增加，而GABA在殖民神经元中占比下降或不具特征性。

4.6 殖民神经元骨干网络的存在性

殖民神经元诱导子网络的密度在幼虫中为整个连接组的6.17倍，在成虫中为10.2倍；平均聚类系数在幼虫中为2.30倍，成虫中为1.41倍；归一化平均入度和出度同样显著更高。这些结果表明殖民神经元确实形成骨干网络，促进不同脑区之间的通信。

4.7 菌落分析

菌落的功能注释一致性分析显示，幼虫中菌落的层次聚类一致性显著高于空间匹配对照；成虫中菌落表现出极高的亚类纯度（purity）和几乎可忽略的归一化熵。神经递质同质性分析显示，1643个成虫菌落为单一神经递质型（100%纯度），4573个菌落具有单一神经递质的明显多数（≥50%），ACH、GABA和谷氨酸是菌落中的主要神经递质。信息路由分析显示，菌落成员形成密集互连的局部微回路：幼虫内部突触密度为空间匹配对照的2倍以上，成虫内部突触密度为空间对照的3倍以上且比全局基线高1000倍以上；菌落成员还表现出显著的下游共靶向性，幼虫中Jaccard重叠为空间对照的3倍以上，成虫中为空间对照的4倍以上且超过全连接组基线143倍以上。

五、讨论与结论

本文首次在全脑层面研究了LRPNs的特性，并定义、检测和分析了殖民神经元这一特殊亚群。研究揭示了殖民神经元的以下主要特性：（1）殖民神经元与高中心性值之间存在显著关联，且在成虫中比幼虫中更明显；（2）殖民神经元在左右半球间几乎均匀分布，但特定区域存在过度代表或完全缺失；（3）殖民神经元在连接组中战略性分布，能够影响一个或多个物理上遥远区域；（4）幼虫中大多数殖民神经元仅有半球间长弧，成虫中半球间和半球内长弧的殖民神经元数量相当；（5）无论发育阶段，绝大多数殖民神经元仅有一个菌落；（6）幼虫中殖民神经元以轴突作为突触前连接为特征；（7）成虫中殖民神经元以释放ACH神经递质为特征；（8）殖民神经元在连接组中形成骨干网络，作为不同脑区之间通信的底物。

在结构连接组学中，结构或欧氏邻近性并不自动保证功能协同。本文通过空间阈值检测殖民神经元和菌落，并通过功能注释一致性、神经递质同质性和内部突触布线及下游共靶向性等分析证明，这些菌落是连贯的功能和发育单元，而非任意的几何聚合体。菌落成员表现出显著的功能注释一致性、神经化学一致性和密集的内部突触连接及共享的下游靶标，证明菌落作为紧密联系的局部处理微回路运作，接收来自突触前殖民神经元的组织化输入，并将信息传播到共享的汇聚下游功能通路中。