《Cell》最新研究：果蝇也会“掉头导航”？

果蝇虽小，却能完成复杂的导航任务，比如记住食物位置后原路返回。科学家发现，这背后依赖于大脑中一种类似“内部指南针”的神经环路。

基于此，2025年12月29日，洛克菲勒大学Gaby Maimon研究团队在Cell杂志发表了“Neuronal calcium spikes enable vector inversion in the Drosophila brain”揭示了神经元钙尖峰在果蝇大脑中实现向量反转。

研究人员发现，果蝇大脑中一类特殊神经元通过“切换信号模式”来实现向量反转，当它们从常规的钠尖峰转为由T型钙通道（Ca-α1T）介导的超极化诱发钙尖峰时，就能将内部导航向量精确翻转180度。这种机制让神经环路突破原有角度编码限制，在原本“看不见”的方向上也能进行向量运算。这项工作生动展示了分子（钙通道）、细胞（钙尖峰）和环路（向量计算）如何协同工作，让大脑完成类似数学运算的复杂任务。

图一 钙尖峰驱动果蝇脑中的向量反转

果蝇虽然只有微小的大脑，却能像拥有“内置导航仪”一样，在环境中精准定向、逆风飞行甚至原路返回。这一切依赖于其中枢脑区：中央复合体中一套精巧的神经编码系统。

这套系统的核心是EPG神经元，它们在椭球体中形成一个会随果蝇转向而旋转的“钙信号峰”，就像指南针一样实时指示果蝇当前的朝向。这个方向信号还会传到原脑桥，在那里形成两个对称的信号峰。

更神奇的是，下游的PFN神经元并不简单复制这个方向，而是把EPG信号转换成一种类似“数学向量”的编码：它们的活动模式呈正弦波形，波的位置代表方向，波的高度代表强度。左右两侧的PFN向量分别被“扭转”约45度，形成近90度夹角。当它们的信号在扇形体中叠加时，就能合成出指向任意方向的新向量，但仅限于90度范围。

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要覆盖完整的360度空间，系统必须具备“向量反转”能力，也就是让某个向量从“向前”变成“向后”。作者发现，这种反转并非靠改变连接，而是通过一种特殊的电活动机制：PFN神经元在特定条件下会从常规的钠尖峰切换为由T型钙通道触发的钙尖峰。这种钙尖峰会导致其活动相位相对于EPG信号偏移180度，相当于把向量方向完全翻转。

这一机制使得果蝇能在原本无法表示的方向上进行导航计算，比如感知风向反转或规划返程路径。

图二 PFNa神经元通过相位反转编码气流方向

研究人员发现，果蝇中一类名为 PFNa 的神经元能根据气流方向动态调整其编码方式：当风吹来时，它们在脑内形成的活动“峰”会相对于果蝇自身朝向（由EPG信号表示）有时对齐、有时反转180度。例如，前方或后方来风时，左右两侧PFNa同时与朝向信号同相或反相；而侧向来风时，仅对侧PFNa发生反转。

这种灵活的“相位切换”使PFNa能用两个夹角固定的向量，通过部分或全部反转方向，完整编码360度范围内的气流方向。同时，在接收PFNa投射的结节区域，钙信号也呈现出预测中的双峰响应。对应向量正负方向的最大激活，进一步支持了“向量反转”模型。

有趣的是，提供气流输入的上游神经元LNOa只有单峰响应，说明双峰调谐和相位反转是PFNa自身计算的结果。后续电生理实验揭示，这一能力依赖于一种特殊的超极化诱发的钙尖峰，为向量数学如何在真实神经环路中实现提供了关键机制解释。

图三 T型钙通道驱动PFNa神经元的向量反转

为探究PFNa神经元在结节中出现的第二个钙峰来源，研究人员发现：人为超极化PFNa细胞能稳定诱发膜电位振荡，提示这是其内在电特性。这种振荡类似哺乳动物丘脑神经元的T型钙通道依赖性放电，而果蝇唯一的T型钙通道 Ca-α1T 在PFNa中高表达（高出中位数35倍），且其蛋白信号正位于PFNa投射区域。

进一步实验显示：敲低或突变Ca-α1T后，PFNa不再产生超极化诱发的振荡，无论刺激来自气流、转向还是电流注入；同时，对后方气流响应的次级钙峰也显著减弱。这表明，Ca-α1T介导的“钙尖峰”是PFNa实现相位反转和向量计算的关键机制：正是它让神经元能在特定气流方向下翻转向量，完成复杂导航所需的数学运算。

图四 PFNa通过钠/钙尖峰实现向量加法驱动FC3编码气流方向

研究人员发现，果蝇下游神经元 FC3 能对左右 PFNa 神经元的输入进行“向量加法”：当气流从前侧吹来时，PFNa通过钠尖峰编码前向向量有效驱动FC3活动峰偏移；而当气流来自后方或外侧时，PFNa转为发放钙尖峰（依赖T型钙通道Ca-α1T），编码反向向量，但其对FC3的影响较弱。

然而，通过光遗传实验证实：人为激活PFNa（模拟同相向量）会使FC3与果蝇朝向信号（EPG）对齐；而超极化PFNa（诱发反相钙尖峰）则使FC3稳定地与EPG相差180度且这一效应在Ca-α1T缺失果蝇中消失。这说明，钙尖峰能驱动有效的突触传递并参与向量运算，只是在自然条件下作用较弱。

综上，PFNa利用钠尖峰和钙尖峰分别编码正向与反向向量，而下游FC3能整合这两种信号，实现类似数学向量加法的神经计算，从而精准表征气流的外部方向。

图五 全文摘要图

总结

PFNa神经元像一个“风向解码器”，能把果蝇感受到的风（从自己身体出发）和它当前朝向（在环境中的方向）结合起来，算出风在外部世界的真实来向。虽然在实验中下游的FC3细胞还没展现出完整的360度风向图，但这个环路很可能在其他脑区或更自然的行为中完成这一任务，帮助果蝇利用风向找路、回家或觅食，展示了大脑如何把“我感觉到的风”变成“世界里的风向”。

文章来源

https://doi.org/10.1016/j.cell.2025.11.040

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