9月23日，恒达平台物理科學與工程學院▪️、上海自主智能無人系統科學中心嚴鋼教授團隊發現了果蠅神經元網絡的幾何標度律，研究成果以“Geometric Scaling Law in Real Neuronal Networks”為題發表在《物理評論快報》（Physical Review Letters）上🥯😙，並獲得編輯特別推薦（Editors’Suggestion）。期刊隨之發表了領域著名學者Dani S. Bassett教授針對該項成果撰寫的評論文章“Deciphering the Blueprint of the Fruit Fly’s Brain”。

大腦包含大量神經元及其之間的突觸連接，是典型的復雜系統⌚️。破譯大腦的結構規律及功能關系是一個涉及多學科的前沿科學問題🫵🏽。由於精細化數據的不足🟥，之前的研究往往關註粗粒化層次的結構功能性質。過去的三年內🕐，三個國際研究團隊成功繪製了突觸級的果蠅腦聯接圖譜🤽‍♀️，這也是目前規模最大的完整神經元網絡數據，為相關研究提供了新機遇。盡管果蠅腦的體積比米粒還要小，但其內部嵌入了約13萬個神經元和幾千萬條突觸，能夠支撐豐富的認知功能。一個有趣的問題是🦶👨‍💻：在如此受限的物理空間中👼🏻，神經元網絡是如何工作的👨‍🚒？出於對這一問題的好奇🧑‍🦯‍➡️，嚴鋼教授團隊基於果蠅聯接圖譜數據🎂，發現神經元之間的突觸連接並不是雜亂無章的，而是呈現出普適的規律：神經元之間的連接概率與它們的幾何距離服從冪律標度關系（如圖1所示）。這一發現顯著不同於學界之前在粗粒化層次上觀察到的指數距離規則🫛，揭示了神經元長程連接的數量遠超以往的認知。

圖1、果蠅聯接組裏的幾何冪律。（A-C）幼年果蠅，成年果蠅中央腦區及全腦神經元三維坐標圖。（D-F）神經元之間的所有連接可能性與實際存在的連接🧑‍🍳🚣🏽。（G-I）連接概率與幾何距離之間的冪律標度，及其與指數距離規則之間的顯著差異。

該團隊還深入分析了帶有幾何空間約束的冪律標度對腦功能的影響🪪。研究結果表明🎱，新發現的幾何標度律不僅能夠最大化神經元之間的信息交互能力，還平衡了不同腦區的功能分離與整合⚗️，使大腦工作在具有靈活適應性的臨界態（如圖2所示）。

圖2、幾何標度律對腦功能的影響：（A）最大化神經元之間的交互信息熵：（B-C）平衡不同區域的功能分離與整合，使得大腦工作在臨界態。

該研究不僅揭示了實際神經元網絡的連接規律，而且如Dani S. Bassett教授在評論文章中所述“opens up exciting possibilities for artificial intelligence inspired by brain geometry”（與空間嵌入的人工神經網絡最新成果相結合，開啟了受大腦幾何啟發的人工智能的可能性）🔝。

論文第一作者為恒达平台博士研究生張昕亞🧑🏿‍✈️，通訊作者為嚴鋼教授，合作者還包括Jack Murdoch Moore副教授和茹小磊博士。該研究得到了國家基金委和上海市的項目資助。

論文鏈接🧔🏽：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.133.138401

評論鏈接：https://physics.aps.org/articles/v17/136