《iScience》：Connectome analysis reveals brain-wide visual processing in Drosophila
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感官处理依赖于一个整合了特化感觉回路与大脑其他部分的脑-wide网络。为了理解这种整合如何塑造视觉处理，本研究利用全脑黑腹果蝇（Drosophila melanogaster）连接组学，分析了将视叶（optic lobe, OL）——主要视觉中枢——与中央脑（
感官处理依赖于一个整合了特化感觉回路与大脑其他部分的脑-wide网络。为了理解这种整合如何塑造视觉处理，本研究利用全脑黑腹果蝇（Drosophila melanogaster）连接组学，分析了将视叶（optic lobe, OL）——主要视觉中枢——与中央脑（central brain, CB）以及对侧OL相互连接的远程投射。通过量化突触极性和连接性，研究人员将投射神经元分为前馈（feedforward）、反馈（feedback）和双侧（bilateral）三组。前馈投射神经元形成一个信息瓶颈，将来自OL的多样化视觉特征汇聚起来，并通过模块化通路分发至高级处理中心。反馈投射神经元密集支配OL结构，通过与特定前馈投射神经元形成的递归环路将中央脑的情境信号传递至OL。双侧投射神经元连接两个OL之间的局部视觉回路，为眼间处理提供了基础。综合来看，这些发现揭示了早期视觉回路如何与大脑其余部分交互，为未来关于脑-wide视觉处理的功能研究奠定了结构基础。
研究背景与科学问题
视觉系统的功能并非孤立实现，而是依赖于与大脑其他区域（如中央脑和对侧视叶）的动态协同。尽管果蝇（Drosophila melanogaster）视叶（optic lobe, OL）作为初级视觉中枢，容纳了约60%的全脑神经元，能够并行计算多种视觉特征，但这些特征如何通过长程投射传递至中央脑（central brain, CB）、如何接收来自CB的反馈调制以实现情境依赖的视觉加工，以及两侧OL之间如何进行眼间信息整合，其完整的神经环路架构此前尚缺乏系统性的突触级解析。已有的研究多聚焦于少数特定的视觉投射神经元（visual projection neurons, VPNs）或离心神经元（visual centrifugal neurons, VCNs），而全脑范围内的前馈、反馈及双侧投射的整体组织原则仍不清楚。完成的全脑突触水平接线图谱为系统性阐明这些长程投射回路提供了前所未有的机会。
研究内容与核心结论
本研究利用果蝇全脑连接组数据（FAFB-FlyWire和Male CNS），系统分析了连接OL与CB及对侧OL的长程投射神经元。通过量化突触分布定义极性指数（polarity indices, PIs），研究人员将投射神经元分为三类：前馈投射（feedforward projection, FFP）神经元、反馈投射（feedback projection, FBP）神经元和双侧投射（bilateral projection, BLP）神经元。研究发现，FFP神经元构成视觉处理层次中的结构性瓶颈，汇聚OL输入的多样视觉特征后，通过模块化通路广泛分发至CB各功能区域。FBP神经元则形成层特异性的递归环路，从特定FFP神经元接收视觉输入后再将CB的情境信号返回至OL，从而动态调节早期视觉处理。此外，BLP神经元在两侧OL之间建立镜像对称或平移偏移的感受野（receptive field, RF）-投射野（projective field, PF）映射关系，支持眼间比较与宽视野整合。这些发现将果蝇视觉系统从单一的前馈流水线重新定义为分布式、递归的网络架构。
关键技术方法
- 1.
全脑连接组数据集：采用成年雌性果蝇的FAFB-FlyWire数据集（v783）和雄性果蝇的Male CNS连接组（v0.9），获取神经元形态、突触位置、连接强度及预测的神经递质身份。2. 突触极性定量分类：基于每个神经元在OL和CB中突触前位点和突触后位点的分布，计算突触前极性指数（prePI）和突触后极性指数（postPI），进而推导方向性指数（directionality, D）和空间偏向指数（spatial bias, B），据此将神经元划分为FFP（D≥0.2）、FBP（D≤?0.2）和双向投射（bidirectional projection, BDP）（|D|<0.2且|B|<1.2）。3. FFP神经元聚类分析：构建FFP神经元与其CB突触后靶标之间的二分图，应用Leiden社区检测算法识别功能模块，再通过PARIS层次聚类确定超簇（supercluster）。4. 感受野与投射野映射：针对BLP神经元，利用微CT眼球图谱将突触位点映射至视网膜坐标，通过高斯平滑和等密度轮廓提取估计RF和PF的空间分布。5. 层特异性深度分析：选择层限制性参照神经元拟合基准曲面，计算FBP神经元在OL各神经毡内的输出与双突触视觉输入的深度分布重叠度。
研究结果
1. 基于突触分布的投射神经元分类
通过分析所有连接右侧OL与CB的神经元的突触分布，研究人员发现（postPI, prePI）值呈现明显的双峰分布：先前注释为VPNs的神经元聚集在对角线下方的右下区域（postPI > prePI），表明输入集中于OL、输出集中于CB；而VCNs则占据左上区域（prePI > postPI）。进一步定义空间偏向（B = postPI + prePI）和方向性（D = postPI ? prePI）后，不同超类表现出独特的组合特征。据此共鉴定出3,436个FFP细胞（D≥0.2）、261个FBP细胞（D≤?0.2）和124个BDP细胞（|D|<0.2且|B|<1.2）。超过99%的FFP神经元先前被注释为VPNs，95%的FBP神经元先前被注释为VCNs。在两个性别不同的连接组中，主要结论均可重复。
2. 视觉特征在FFP神经元中汇聚并在CB中再整合
FFP神经元主要来自小叶柱状（lobula columnar, LC）、髓质切线（medulla tangential, MTe）和小叶-小叶板柱状（lobula-lobula plate columnar, LLPC）神经元。它们接受显著更多的突触前伙伴，既汇聚不同类型以产生新特征选择性，也汇聚同类型多个神经元以扩大感受野和增强信号鲁棒性。同时，FFP神经元发散输出至大量突触后细胞类型，使单一视觉特征可同时更新多个脑功能系统。网络中心性分析显示FFP神经元具有显著更高的介数中心性（betweenness centrality）和PageRank分数，确认其处于OL到CB的信息瓶颈位置。此外，同一类型FFP神经元之间存在频繁的轴-轴连接，且连接强度越强，神经元在OL中的感受野距离越近，提示这种连接可能整合相邻视觉空间的信号以扩大感受野。
3. 聚类分析揭示FFP神经元的功能模块
通过对FFP神经元与其CB突触后靶标进行社区检测，研究人员识别出32个FFP神经元簇，这些簇可靠地将同一注释类型的神经元分组在一起。层次聚类进一步将这些簇归并为7个超簇，每个超簇代表共享广泛靶向基序的神经元群体：超簇#1、#2、#3主要支配后腹外侧原大脑（PVLP）和前腹外侧原大脑（AVLP）；#4和#5靶向后外侧原大脑（PLP）和上后斜坡（SPS）；#6靶向上夹（SCL）、上外侧原大脑（SLP）和下夹（ICL）；#7则专门投射至前视结节（AOTU）。超簇内投影相似性显著高于超簇间。结合已有视觉调谐数据发现，超簇#2汇聚了对迫近物体敏感的神经元（如LC17、LC4、LPLC1、LPLC2），而超簇#3则汇聚了具有不同调谐特性的神经元（如迫近敏感、小物体敏感、条栅敏感等），暗示前者增强特征表征的鲁棒性，后者可能促进高阶视觉特征的合成。
4. FBP神经元通过递归环路将多样化CB信号传递至OL
共鉴定出261个FBP神经元，其中最主要类型为cLP（n=96）、cL（n=46）和cM（n=42）。小叶板（lobula plate）接受最大份额的FBP输出，其次是小叶（lobula）和髓质（medulla）。CB中接收大量FFP输入的神经毡（如SPS、IPS、PLP、ICL、PVLP、IB）同时也是FBP返回OL的重要输入源。对FBP神经元突触前伙伴的超类分析表明，经过二次分配后，多数输入最终可追溯至VPNs（~41%）和上行神经元。FBP神经元通过双突触途径从OL汇聚视觉信号后将其返回OL，形成递归回路。在髓质和小叶中，双突触视觉输入与FBP输出的层深度分布高度一致，且同侧输入比对侧输入更匹配；而在小叶板中，双侧输入与输出的重叠程度相当。在单细胞水平上，37.5%的CB→Me和41.9%的CB→Lo FBP神经元形成直接的2-周期递归回路，而超过40%的所有FBP神经元均参与间接的3-周期回路。
5. 少量投射神经元呈现方向中性突触极性
BDP神经元（11种细胞类型，124个细胞）表现出接近零的方向性和空间偏向，其突触前和突触后位点在OL和CB中均衡分布且高度混合。低分离指数（segregation index）使得BDP神经元更易与伙伴形成互惠连接，但即使对于BDP神经元，中位互惠连接比例仍低于20%。以LC9为例，其在CB中与PVLP004形成强互惠基序，且LC9神经元之间在CB中存在显著的侧向连接：在OL中距离较近的LC9神经元更可能在CB中形成突触连接，这与FFP神经元中观察到的同类型轴-轴连接空间组织方式相似。
6. 多样的BLP神经元桥接两侧OL的视觉回路
通过计算右侧OL与左侧OL之间的极性指数，研究人员筛选出106个BLP神经元，其中最主要类型为LC14（LC14b、LC14a1、LC14a2）、MeMe（MeMe_e01、MeMe_e02）和MTe07。大多数BLP神经元在两侧支配相同的神经毡。RF-PF映射分析揭示了两类典型模式：第一类（如MeMe_e01、MeMe_e02、MeMe_e10）的RF和PF在方位角上平均相隔约137°，单个细胞的RF/PF位置沿方位角规则偏移，且不同类型具有独特的高度偏移；第二类（如LC14a1、LC14a2、LC14b）的RF和PF呈镜像对称关系，RF位于右视野边缘，PF则相对于额中线对称分布于左视野对应位置。RF和PF的大小在不同细胞类型间差异显著（可达12倍），但在同一类型内高度匹配（Spearman's ρ=0.82）。
讨论与结论
本研究的结构分析表明，视觉处理并非局限于OL内部，而是由连接OL与CB以及对侧OL的长程投射所塑造。FFP神经元构成视觉层次中的结构性瓶颈，高汇聚最大化信息吞吐量，而分散重叠的输出使视觉特征在CB中得以再整合。共享下游靶标的FFP模块中，具有相似视觉调谐的神经元常被分入同一超簇，这增强了特征表征的鲁棒性；而包含多种调谐类型的模块则可能支持高阶视觉表征的涌现。FBP神经元中最大的输入来源是VPNs，且形成层特异性的递归回路。由于大多数FBP神经元是抑制性的，这些回路可通过直接抑制或去抑制动态调节特定视觉特征的增益，适应性地调控特征检测动力学。非视觉输入（如上行和下行神经元信号）则确保早期视觉处理持续受到行为情境的塑造。对于BLP神经元，LC14的RF并不局限于内侧边缘，而是延伸至外周视野，因此不太可能专司深度感知；相反，它们可能在物体跨越两眼视野移动时维持知觉连续性。MeMe神经元形成方位角平移网格且高度不对称，研究人员通过速率模型预测其对地平线倾斜的反向不对称响应，且该不对称依赖于MeMe_e02对MeMe_e01的抑制输入。此外，靶向小叶板的FBP神经元比靶向髓质或小叶的FBP神经元更具双侧组织特性，这可能反映了小叶板在宽视野运动处理和光动反应中的作用。综上，这些发现将果蝇视觉系统从一个前馈流水线重新定位为一个分布式的递归架构，为理解动态视觉处理如何受视觉情境、双侧输入和其他内部状态影响提供了结构蓝图。
