果蝇大脑地图是怎么画出来的？切成 7,062 片、拍 2,100 万张照片、改了 300 万次
果蝇大脑地图是怎么画出来的？切成 7,062 片、拍 2,100 万张照片、改了 300 万次
2024 年 10 月，FlyWire 联盟在 Nature 上发布了第一张完整的成年果蝇全脑接线图：139,255 个神经元、5,450 万个突触，每个神经元连着谁、连了几个突触，全部标出来了。
这张图后来被拿去做全脑模拟、被说成「果蝇大脑上传」、被网友接进马里奥和《我的世界》。但很少有人讲它是怎么画出来的。答案是：一只果蝇、一把钻石刀、两台定制电镜、一套 AI，以及几百个人许多年的耐心。
这篇按工序拆开讲，数字都来自两篇原始论文：Zheng 等 2018 年在 Cell 上发表的电镜成像，和 Dorkenwald 等 2024 年在 Nature 上发表的 FlyWire 重建。
一张图看完整个流程
| 工序 | 做了什么 | 关键数字 |
|---|---|---|
| ① 挑一只果蝇 | 从多只 7 日龄雌果蝇里挑出一只的大脑 | 1 只 |
| ② 切片 | 用钻石刀把脑切成极薄的连续切片 | 7,062 片，每片 35～40 nm，切了约 3 周 |
| ③ 拍照 | 两台定制高通量透射电镜逐片成像 | 2,100 万张照片、106 TB、约 16 个月 |
| ④ 对齐 | 把几千片照片在三维上重新对齐 | 用神经网络预测相邻切片的形变 |
| ⑤ 自动分割 | AI 把每根神经纤维从图像里描出来 | 卷积神经网络逐像素判断「这里是不是细胞边界」 |
| ⑥ 人工校对 | 人逐个修正 AI 的错误 | 3,013,513 次修改，约 33 人年 |
| ⑦ 找突触、标注 | 自动检测突触，预测神经递质，标注细胞类型 | 5,450 万个突触，8,400 多种细胞类型 |
①② 一只果蝇，切成 7,062 片
为什么一定要用电子显微镜？因为突触太小了。两个神经元之间的连接点只有几十纳米，而光学显微镜受光的波长限制，最多只能分辨约 200 纳米的东西。要看清每一个突触，只能用电子。
但电镜有个麻烦：电子穿不透厚样品，只能看极薄的切片。所以要把整个脑切开。
Janelia 研究所的 Davi Bock 团队挑了一只 7 日龄的雌果蝇。它的脑组织先用重金属浸染、让细胞膜在电镜下显形，再包埋进树脂，用 X 光断层扫描检查样品块的质量，然后用钻石刀一片一片地切。每片 35～40 纳米厚，大约是头发丝直径的两千分之一。 果蝇脑深约 250 微米，要切穿它，一共切了 7,062 片，花了大约 3 周。每 3 片放在一个带条码的金属载网上，一共用了约 2,400 个载网。
切片过程中有 4 片丢了，加上后续成像前损失的，一共丢了 12 片。最终成功成像 7,050 片，占 99.8%。
③ 拍了 16 个月、2,100 万张照片
每一片切片大约 0.75 毫米宽、0.35 毫米高——这就是一只果蝇大脑的横截面。要按每像素 4 纳米的精度拍下来，一张切片的拼接图就有约 187,500 × 87,500 像素、16 GB。
普通电镜一次只能拍一小块视野。团队为此造了两台定制的高通量透射电镜：一台叫 TEMCA2，在电镜下方装了一组相机阵列同时拍；另一台叫 ATPS，是一套能自动取放、对准载网的机器人系统，可以无人值守连续拍好几天。
整个采集花了约 16 个月，显微镜操作员一共工作了约 2,666 小时，最后得到 约 2,100 万张相机图像，合计约 106 TB。
这批数据在 2018 年公开发布，就是后来所有工作的基础，名字叫 FAFB（Full Adult Fly Brain，成年果蝇全脑）。
④⑤ 对齐，然后让 AI 描神经元
7,050 张切片图不是天然对齐的：切片会拉伸、起皱、偏移。普林斯顿的团队用一个神经网络预测每两张相邻切片之间的形变，把整套图像重新对齐。
接下来是最核心的一步：自动分割。也就是在每一张图里，判断每个像素属于哪个神经元，再把 7,000 多层串成一个个三维的神经元。FlyWire 用的是一种卷积神经网络，逐像素判断「这里是不是细胞膜边界」，然后把边界围起来的区域连成整体。
AI 做得很快，但会犯两类错：
- 错误合并：把两个挨得很近的神经元粘成了一个；
- 错误拆分：把一个神经元断成了好几截，尤其是在纤细的分支和切片质量差的地方。
一个错误就可能让一条连接张冠李戴，所以必须靠人来改。
⑥ 300 万次人工修改：科学家、专业团队和游戏玩家
FlyWire 2019 年上线，做法是把分割好的大脑放到网上，让人在浏览器里直接修改：点一下把错误合并的神经元切开，再点一下把断开的分支接回去。
参与校对的有三拨人：
- 果蝇研究者。 早期主要是 FlyWire 联盟里 50 多个实验室的科研人员，各自校对自己关心的神经元。其中 200 多人各自贡献了 100 次以上的修改。
- 专业校对团队。 后期剩下的神经元，主要由普林斯顿和剑桥的全职校对团队完成。
- 游戏玩家。 团队邀请了 Eyewire 排名前 100 的玩家来内测。Eyewire 是一个把「描小鼠视网膜神经元」做成闯关游戏的公民科学平台，这批玩家早就练出了一双看电镜图的眼睛。他们自称「Flyers」，还自己编写了细胞类型图鉴，甚至开发了 FlyWire 插件。
最后的账单：公开版 v783 一共经过 3,013,513 次修改，论文估算人工校对总量约 33 人年。作为对比，更早发布的 hemibrain（Janelia 和 Google 合作，只覆盖半个脑的中央区域）花了约 50 人年。FlyWire 用更少的人力做了整个脑，准确度和 hemibrain 相近。
这项工作到现在也没有结束：数据仍然开放校对，新的修正会进入以后的版本。
⑦ 找突触，猜递质，起名字
神经元描好以后，还要知道它们之间在哪里接触。
- 突触：另一套 AI 自动在图像里找出「突触前—突触后」的配对。全脑检测到约 1.3 亿个突触，其中 5,450 万个连接在已校对的神经元之间。果蝇脑的突触密度是每立方微米 7.4 个，哺乳动物皮层不到 1 个。
- 神经递质：再用 AI 根据突触的样子，预测每个神经元释放的是乙酰胆碱、谷氨酸、GABA 还是其他递质——这决定了它是兴奋还是抑制下游。后来所有全脑模拟里的「正负号」，都来自这一步的预测。
- 细胞类型：Schlegel 等人把 13.9 万个神经元归成 8,453 种细胞类型，其中 4,581 种是新发现的，并和 hemibrain 逐一做了对应。
这三层信息叠在一起，才是我们说的「连接组」。我把公开的连接表下载下来核对过，突触数一列加起来是 54,492,922，和论文对得上（过程见果蝇大脑怎么下载）。
「谷歌果蝇」是怎么回事
搜果蝇大脑的人，常会搜「谷歌果蝇」「google fly brain」。Google 确实深度参与了果蝇连接组，但和很多人想的不太一样：
| Google 做了什么 | 时间 | 和 FlyWire 的关系 |
|---|---|---|
| 洪水填充网络（Flood-Filling Networks），一种专门分割神经元的 AI | 2016 年提出 | 方法本身 |
| 用它给整个 FAFB 果蝇脑做了自动分割（FAFB-FFN1），覆盖 40 万亿体素 | 2019 年预印本 | 让人工追踪快了一个数量级，但 FlyWire 最终没用这版，而是普林斯顿自己重做了对齐和分割 |
| 和 Janelia 合作分割 hemibrain | 2020 年 | 另一个数据集 |
| Neuroglancer：在浏览器里看三维电镜数据的开源工具 | — | FlyWire 的界面就是基于它改的 |
| 参与雄性全中枢连接组 MaleCNS | 2026 年 | 又一个数据集，包含腹神经索 |
所以，「谷歌画出了果蝇大脑」并不准确。更准确的说法是：Google 提供了几样关键的 AI 和软件工具，也做过一版自动分割；FlyWire 这张图的分割和校对主要是普林斯顿团队和整个社区完成的。
这张地图之后
- 2024 年 10 月：FlyWire 在 Nature 上以一组论文正式发布，数据版本 v783。
- 2026 年 6 月：Janelia、剑桥、MRC 分子生物学实验室和 Google Research 发布 MaleCNS v1.0，这是一只雄性果蝇的完整中枢神经系统，第一次包含了腹神经索——腿和翅膀的运动神经元都在那里。9 月论文在 Cell 上发表。
- 下一个目标是小鼠：一只小鼠大脑的神经元约是果蝇的 500 倍，目前只画完了 1 立方毫米的皮层。
回头看，最难的其实不是拍照，而是纠错。2,100 万张照片 16 个月就拍完了，而把 AI 的错误一个个改掉，花了几百人好几年。
常见问题
这只果蝇是雌的，有什么影响？
论文没有专门解释为什么选雌蝇。影响是：FlyWire 缺少雄性特有的神经回路（比如与求偶相关的一部分），而且只有脑、没有腹神经索。这两块正是 2026 年发布的雄性全中枢连接组 MaleCNS 补上的。
这张图是一只果蝇的，能代表所有果蝇吗？
大体能，但没有想象中那么「标准件」。Schlegel 等人把 FlyWire 和另一只果蝇的 hemibrain 逐个对比：几乎所有 hemibrain 神经元都能在 FlyWire 里找到形态对应，神经元数量和连接也总体一致，但偶有差异；而 hemibrain 当初提出的细胞类型里，约三分之一在 FlyWire 里没法可靠地重新认出来。他们因此重新定义了「细胞类型」：一个细胞跟另一只果蝇里的同类，要比跟自己脑子里的任何其他细胞更像。
普通人能参与吗？
FlyWire 至今仍开放校对，但需要经过培训和审核才能获得编辑权限。如果只是想看，可以直接在 Codex（codex.flywire.ai）浏览任何一个神经元的形态和连接。
我能在电脑上用这张地图做什么？
可以下载下来跑全脑模型。官方模型在普通电脑上就能跑，刺激糖味觉神经元的示例 33 秒跑完，见果蝇大脑怎么下载、在自己电脑上跑；也可以先去数字果蝇实验室，在浏览器里开一只物理仿真的果蝇。
参考
- Zheng et al. 2018, A Complete Electron Microscopy Volume of the Brain of Adult Drosophila melanogaster, Cell. doi:10.1016/j.cell.2018.06.019
- Dorkenwald et al. 2024, Neuronal wiring diagram of an adult brain, Nature. doi:10.1038/s41586-024-07558-y
- Schlegel et al. 2024, Whole-brain annotation and multi-connectome cell typing of Drosophila, Nature. doi:10.1038/s41586-024-07686-5
- Li et al. 2019, Automated Reconstruction of a Serial-Section EM Drosophila Brain with Flood-Filling Networks and Local Realignment, bioRxiv. doi:10.1101/605634
- Januszewski et al. 2018, High-precision automated reconstruction of neurons with flood-filling networks, Nature Methods
- MaleCNS：male-cns.janelia.org
