科学家弄清了苍蝇大脑是如何计算它在空间的位置

航行并不总是按计划进行--当强大的逆风把苍蝇甩向后方、无视它们向前拍打的翅膀，这是它们们的惨痛教训。逆流而上的鱼、侧身而行的螃蟹甚至人类在向右看的同时向左看都要面对类似的挑战。当头部指向一个方向而身体向另一个方向移动时，大脑如何计算动物的行进方向是神经科学中的一个谜。

现在，一项新研究在解开这个谜团方面取得了重大进展，它报告称，苍蝇的大脑有一组神经元，它可以发出身体行进方向的信号，而不管头部指向哪个方向。发表在《自然》上的这一发现还详细描述了苍蝇的大脑如何从更基本的感官输入中计算出这一信号。

来自洛克菲勒大学神经科学家Gaby Maimon指出：“这些神经元不仅为苍蝇的旅行方向提供信号，而且还在一个以世界为中心的参考框架中这样做。”论文的第一作者Cheng Lyu补充成，引人注目的是，这些昆虫正在将身体参考的感觉输入转化为世界参考的信号，这使得苍蝇知道它正在行进，比如向太阳的右边或向北飞行90度。

找到自己的位置

即使我们闭上眼睛，我们通常也会对我们在一个房间里的位置和我们所面对的方向保持一个很好的概念。这是因为，即使在黑暗中，我们的大脑也会对我们在空间中的位置构建一个内部理解。在20世纪80年代，科学家们发现一组被称为头部方向细胞的细胞在让我们知道我们的角度方向方面起着关键作用，后来科学家发现苍蝇也有类似功能的细胞。这些细胞的活动表明头部所指向的角度，类似于罗盘针在环境中指示人的方向。

只要我们在行走或苍蝇在飞翔时跟头部指向的方向一致，一切都会表现得很好。头部方向的细胞可以被用来更新一个人要去哪里的内部感觉。但如果我们在朝东走的时候向北走或如果一只苍蝇试图向前飞行而风把它往后推，头部方向细胞就会指向错误的方向。不过这个系统仍在工作。苍蝇相对来说不会受到风流的干扰，而人类在转动身体欣赏风景时也不会迷路。Lyu和Maimon想要知道苍蝇是如何知道它们要去哪里的，即使它们的头部方向细胞似乎在传递不准确的信息。

为了回答这个问题，Lyu把果蝇粘在了只固定昆虫头部的微型背带上，这使得他能够记录下果蝇的大脑活动并与此同时能让果蝇自由地扇动翅膀以在一个虚拟环境中引导它们的身体。该装置包含了几个视觉线索以使果蝇能感觉到它被向后或向侧面吹。

正如预期的那样，头部方向细胞始终指示苍蝇对太阳--由亮光模拟--的方向，跟较暗的点的运动无关。此外，研究人员还发现了一组新的细胞，它们用于指示苍蝇的行进方向，而不仅仅是其头部所指向的方向。比如如果苍蝇直接面向东方的太阳，同时被吹向后方，那么这些细胞会表明苍蝇（实际上）正在向西行进。Maimon指出：“这是已知的第一组细胞，用于指示动物在以世界为中心的参考框架中的运动方向。 ”

心智数学

但研究小组也想知道苍蝇的大脑如何在细胞水平上计算动物的旅行方向。通过跟哥伦比亚大学祖克曼研究所的理论家Larry Abbott的合作，Lyu和Maimon能够证明，苍蝇的大脑从事着一种数学练习。

一位物理学学生在绘制一个物体的轨迹时会把轨迹分成运动的组成部分，它们沿着X轴和Y轴绘制。同样，在苍蝇的大脑中，四类对视觉运动敏感的神经元将苍蝇的行进方向表示为沿四条轴的组成部分。每个神经元类别可以被认为是代表一个数学矢量。矢量的角度指向其相关轴的方向，矢量的长度表示苍蝇沿该方向移动的速度。“令人惊讶的是，苍蝇大脑中的一个神经回路旋转这四个矢量，使它们跟太阳的角度正确对齐，然后将它们相加，得到的结果是一个输出矢量，参考太阳，它指向苍蝇行进的方向，”Maimon说道。

矢量数学不仅仅是对正在发生的计算的一种比喻。相反，苍蝇的大脑似乎真的在进行矢量运算。在这个电路中，神经元群明确地将矢量表示为活动的波，波的位置代表矢量的角度，波的高度代表其长度。研究人员甚至通过精确操纵四个输入矢量的长度来测试这个想法并显示输出矢量的变化就像苍蝇在字面上加起来的矢量那样。

Maimon表示：“我们提出了一个强有力的论点，即这里发生的是大脑中矢量数学的明确实现。这项研究的独特之处在于，我们用广泛的证据表明，神经元电路是如何实现相对复杂的数学运算的。”

了解空间认知

目前的研究弄清了苍蝇如何在当下弄清它们要去的方向。未来的研究将考察这些昆虫如何随着时间的推移跟踪它们的行进方向以了解它们最终的目的地。“一个核心问题是大脑如何整合跟动物的行进方向和速度有关的信号以形成记忆。研究人员可以把我们的发现作为一个平台以研究工作记忆在大脑中是什么样子，”Lyu说道。

这些发现可能对人类疾病也有影响。因为空间混乱往往是阿尔茨海默病的早期迹象，许多神经科学家对了解大脑如何构建内部空间感感兴趣。Maimon表示：“拥有微小大脑的昆虫对其行进方向有明确的认识，这一事实应迫使研究人员在哺乳动物的大脑中寻找类似的信号和类似的定量操作。 这样的发现可能为阿尔茨海默病及其他困扰空间认知的神经系统疾病的功能障碍提供信息。"”