來源：Nature自然科研
兩項果蠅研究揭示了大腦的定向系統(tǒng)是如何將環(huán)境地標與自我定位信息聯(lián)系起來的，這種聯(lián)系對于準確導航來說非常關鍵。
我們都知道，想要探索世界，方向感很重要。在哺乳動物中，這種“方向感”主要來自被稱作“頭部方向細胞”的神經(jīng)元。以環(huán)境中的地標為參考系，當動物面朝特定方向時，這些方向細胞一個個會變得格外活躍。無論何時何地，這些細胞的活動能替動物指示它們面對的方向。
2015年，研究人員發(fā)現(xiàn)果蠅也有非常類似的細胞——稱為“方向神經(jīng)元”1，而果蠅比哺乳動物好研究多了。基于這一發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)isher等人2和Kim等人3分別在《自然》上發(fā)文，試圖解答一個存在了幾十年的問題：這種神經(jīng)元如何兼顧穩(wěn)定性和靈活性，既能對地標位置做出可靠反應，又能迅速適應新環(huán)境？
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舉個例子，想象你從地鐵站走到擁擠的街道上，如果你常走這條路，那么左右一望你便知道方向了；但假設你是第一次來到這個地鐵站，判斷方向就需要花點時間，你可能要看一下周圍的路牌、商鋪和地標。但用不了多久，你就知道自己該往哪個方向走了。
上面這個例子列出了大腦定向系統(tǒng)需要處理的兩大挑戰(zhàn)。其一，它必須能在熟悉的環(huán)境中可靠地指明方向：每次回到相同的車站都能喚醒相同的定位；其二，它必須足夠靈活，能夠迅速掌握新的地標分布，即便其中一些地標之前見過。
果蠅這種定位能力背后的神經(jīng)機制完美闡釋了什么叫形式追隨功能。果蠅的方向神經(jīng)元（也稱為E-PG或羅盤神經(jīng)元）呈環(huán)形排列（圖1），對應果蠅可能面對的360°環(huán)周方向1——有時也稱方向角。神經(jīng)元之間會相互抑制，每次只指示一個方向角，為果蠅提供明確的信號。
要注意的是，當果蠅進入一個新環(huán)境中，這些方向神經(jīng)元的活動不再按照特定方向（如北方）調整，而是隨意地重新調整。方向神經(jīng)元接收來自視覺環(huán)路神經(jīng)元的輸入，而視覺環(huán)路神經(jīng)元的激活主要依靠特定方向的視覺線索以及與自運動有關的內在線索。
圖1|經(jīng)過熒光蛋白標記的果蠅大腦中央復合體的神經(jīng)元。果蠅的中央復合體包括一個環(huán)狀結構，名為“橢球體”，其中就有方向神經(jīng)元。這些神經(jīng)元對應果蠅可能面朝的所有方向，提供類似指南針的信號，以便果蠅進行導航。兩項研究2，3揭示了蒼蠅如何在熟悉的環(huán)境中進行自我定向，以及如何迅速適應新環(huán)境——這要歸功于視覺環(huán)路神經(jīng)元傳遞給方向神經(jīng)元的信號，這些信號主要來自眼睛（圖中未顯示）。|來源：Tanya Wolff
Fisher等人利用多項實驗技術（其中許多只能在果蠅身上實現(xiàn)）測試了視覺環(huán)路神經(jīng)元和方向神經(jīng)元之間的連接是否以及如何隨經(jīng)驗變化。他們構建了一個虛擬現(xiàn)實（VR）系統(tǒng)，讓果蠅在浮球上爬行。一排燈光會隨果蠅移動相應閃爍4，為果蠅提供視覺線索，助其自我定位。在果蠅探索虛擬環(huán)境時，研究人員測量了視覺環(huán)路神經(jīng)元傳遞給方向神經(jīng)元的輸入。他們還通過遺傳學技術抑制了視覺環(huán)路神經(jīng)元的活動。
實驗發(fā)現(xiàn)，特定角度的視覺線索激活的視覺環(huán)路神經(jīng)元會抑制果蠅的單個方向神經(jīng)元。由于這種抑制關系具有特異性，視覺輸入強化了方向神經(jīng)元的定向偏好。這就解決了地鐵場景的第一個問題：大腦是如何在熟悉的環(huán)境中將視覺輸入穩(wěn)定轉換成定向信號的。
Fisher等人繼續(xù)探索第二個問題：方向神經(jīng)元如何適應新環(huán)境。他們給果蠅兩個相同的視覺線索，但方向差了180°——這是一個模糊的環(huán)境，在這個環(huán)境中轉半圈或一圈都能看到同樣的視覺線索。由于果蠅的方向神經(jīng)元一次只能提示一個方向角，因此，這些方向神經(jīng)元需要在兩個完全相反的方向之間不斷切換。
將果蠅重新放回之前的單線索世界后，視覺輸入與方向網(wǎng)絡整體活動的關系有時候會發(fā)生180°的變化。傳遞給方向神經(jīng)元的視覺輸入也會發(fā)生強度改變，但僅限于在雙線索環(huán)境下被激活的方向神經(jīng)元。
這一結果表明，視覺環(huán)路神經(jīng)元和方向神經(jīng)元會在新環(huán)境中形成新的連接。要建立新連接，僅僅改變視覺線索是不夠的，還需要上游的視覺環(huán)路神經(jīng)元和下游的方向神經(jīng)元被協(xié)同激活，這會使兩者之間的抑制性突觸連接強度減弱，導致方向神經(jīng)元對視覺環(huán)路神經(jīng)元抑制的敏感度降低，這種現(xiàn)象也被稱為“關聯(lián)可塑性”（associative plasticity）。
在Kim等人開展的互補實驗中，果蠅被放入了由自然圖片呈現(xiàn)的VR場景中，更貼近真實世界。他們在果蠅接收視覺線索的隨機方向上刺激它的方向神經(jīng)元，改變神經(jīng)元的方向偏好。刺激結束后，方向神經(jīng)元的活動和視覺輸入之間的偏移保持不變，說明定向系統(tǒng)能夠建立新的視覺-方向關聯(lián)。與刺激結合時，局部場景也能引起方向神經(jīng)元網(wǎng)絡的整體變化。方向神經(jīng)元網(wǎng)絡的這個功能或能解釋為何我們在新的地鐵站不用360°全看一遍就能判斷方向。
不過，這種靈活性也有一個缺點——如果突觸連接可以被改變，那它們會被消除嗎？Kim等人想知道方向網(wǎng)絡是否能“記住”多個場景。首先，他們發(fā)現(xiàn)把果蠅放入不同場景中，可以引發(fā)方向神經(jīng)元的不同方向偏好。雖然這種偏好因個體而異，但重要的是，即使向果蠅快速呈現(xiàn)一系列不同的場景，每只果蠅對特定場景的方向偏好始終是穩(wěn)定的。也就是說，果蠅的方向網(wǎng)絡可以儲存并提取場景記憶。研究人員在論文結尾提出假設理論，預測哪些類型的場景可以被同步儲存，以及如何能在不刪除原有記憶的同時學習新的場景。
這兩項研究設計嚴謹，證明了果蠅的方向網(wǎng)絡能夠通過關聯(lián)可塑性學習。接下來的工作應進一步探索這個定向系統(tǒng)的記憶容量。一個關鍵問題是，果蠅等昆蟲究竟是靠對復雜場景的記憶還是靠太陽等天體的線索進行導航的5。其他類型的感覺輸入可能也在昆蟲判定方向中發(fā)揮了作用，如偏振光等因素也需加以考慮。此外，還需開展分子學和細胞學研究，進一步揭示突觸可塑性在定向系統(tǒng)中的運作機制，并驗證其是否符合Kim團隊的理論預測。最后，應在其他物種中驗證這項研究提出的假設，畢竟果蠅的方向神經(jīng)元與哺乳動物的頭部方向細胞有許多類似的特性。
雖然果蠅永遠無法成為“地鐵站場景”的主角，但卻加深了我們對“方向感”背后的神經(jīng)機制的認識。更多研究工作正在等著我們開展。
