本文来自微信公众号：Nature自然科研（ID：Nature-Research），原作者：Malcolm G. Campbell &Lisa M. Giocomo，Photo by Alexey Topolyanskiy on Unsplash
两项果蝇研究揭示了大脑的定向系统是如何将环境地标与自我定位信息联系起来的，这种联系对于准确导航来说非常关键。
我们都知道，想要探索世界，方向感很重要。在哺乳动物中，这种“方向感”主要来自被称作“头部方向细胞”的神经元。以环境中的地标为参考系，当动物面朝特定方向时，这些方向细胞一个个会变得格外活跃。无论何时何地，这些细胞的活动能替动物指示它们面对的方向。
2015年，研究人员发现果蝇也有非常类似的细胞——称为“方向神经元”1，而果蝇比哺乳动物好研究多了。基于这一发现，Fisher等人2和Kim等人3分别在《自然》上发文，试图解答一个存在了几十年的问题：这种神经元如何兼顾稳定性和灵活性，既能对地标位置做出可靠反应，又能迅速适应新环境？
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举个例子，想象你从地铁站走到拥挤的街道上，如果你常走这条路，那么左右一望你便知道方向了；但假设你是第一次来到这个地铁站，判断方向就需要花点时间，你可能要看一下周围的路牌、商铺和地标。但用不了多久，你就知道自己该往哪个方向走了。
上面这个例子列出了大脑定向系统需要处理的两大挑战。其一，它必须能在熟悉的环境中可靠地指明方向：每次回到相同的车站都能唤醒相同的定位；其二，它必须足够灵活，能够迅速掌握新的地标分布，即便其中一些地标之前见过。
果蝇这种定位能力背后的神经机制完美阐释了什么叫形式追随功能。果蝇的方向神经元（也称为E-PG或罗盘神经元）呈环形排列，对应果蝇可能面对的360°环周方向1——有时也称方向角。神经元之间会相互抑制，每次只指示一个方向角，为果蝇提供明确的信号。
要注意的是，当果蝇进入一个新环境中，这些方向神经元的活动不再按照特定方向（如北方）调整，而是随意地重新调整。方向神经元接收来自视觉环路神经元的输入，而视觉环路神经元的激活主要依靠特定方向的视觉线索以及与自运动有关的内在线索。
图1|经过荧光蛋白标记的果蝇大脑中央复合体的神经元。果蝇的中央复合体包括一个环状结构，名为“椭球体”，其中就有方向神经元。这些神经元对应果蝇可能面朝的所有方向，提供类似指南针的信号，以便果蝇进行导航。两项研究2,3揭示了苍蝇如何在熟悉的环境中进行自我定向，以及如何迅速适应新环境——这要归功于视觉环路神经元传递给方向神经元的信号，这些信号主要来自眼睛（图中未显示）。| 来源：Tanya Wolff
Fisher等人利用多项实验技术（其中许多只能在果蝇身上实现）测试了视觉环路神经元和方向神经元之间的连接是否以及如何随经验变化。他们构建了一个虚拟现实（VR）系统，让果蝇在浮球上爬行。一排灯光会随果蝇移动相应闪烁4，为果蝇提供视觉线索，助其自我定位。在果蝇探索虚拟环境时，研究人员测量了视觉环路神经元传递给方向神经元的输入。他们还通过遗传学技术抑制了视觉环路神经元的活动。
实验发现，特定角度的视觉线索激活的视觉环路神经元会抑制果蝇的单个方向神经元。由于这种抑制关系具有特异性，视觉输入强化了方向神经元的定向偏好。这就解决了地铁场景的第一个问题：大脑是如何在熟悉的环境中将视觉输入稳定转换成定向信号的。
Fisher等人继续探索第二个问题：方向神经元如何适应新环境。他们给果蝇两个相同的视觉线索，但方向差了180°——这是一个模糊的环境，在这个环境中转半圈或一圈都能看到同样的视觉线索。由于果蝇的方向神经元一次只能提示一个方向角，因此，这些方向神经元需要在两个完全相反的方向之间不断切换。
将果蝇重新放回之前的单线索世界后，视觉输入与方向网络整体活动的关系有时候会发生180°的变化。传递给方向神经元的视觉输入也会发生强度改变，但仅限于在双线索环境下被激活的方向神经元。
这一结果表明，视觉环路神经元和方向神经元会在新环境中形成新的连接。要建立新连接，仅仅改变视觉线索是不够的，还需要上游的视觉环路神经元和下游的方向神经元被协同激活，这会使两者之间的抑制性突触连接强度减弱，导致方向神经元对视觉环路神经元抑制的敏感度降低，这种现象也被称为“关联可塑性”（associative plasticity）。
在Kim等人开展的互补实验中，果蝇被放入了由自然图片呈现的VR场景中，更贴近真实世界。他们在果蝇接收视觉线索的随机方向上刺激它的方向神经元，改变神经元的方向偏好。刺激结束后，方向神经元的活动和视觉输入之间的偏移保持不变，说明定向系统能够建立新的视觉-方向关联。与刺激结合时，局部场景也能引起方向神经元网络的整体变化。方向神经元网络的这个功能或能解释为何我们在新的地铁站不用360°全看一遍就能判断方向。
不过，这种灵活性也有一个缺点——如果突触连接可以被改变，那它们会被消除吗？Kim等人想知道方向网络是否能“记住”多个场景。首先，他们发现把果蝇放入不同场景中，可以引发方向神经元的不同方向偏好。虽然这种偏好因个体而异，但重要的是，即使向果蝇快速呈现一系列不同的场景，每只果蝇对特定场景的方向偏好始终是稳定的。也就是说，果蝇的方向网络可以储存并提取场景记忆。研究人员在论文结尾提出假设理论，预测哪些类型的场景可以被同步储存，以及如何能在不删除原有记忆的同时学习新的场景。
这两项研究设计严谨，证明了果蝇的方向网络能够通过关联可塑性学习。接下来的工作应进一步探索这个定向系统的记忆容量。一个关键问题是，果蝇等昆虫究竟是靠对复杂场景的记忆还是靠太阳等天体的线索进行导航的5。其他类型的感觉输入可能也在昆虫判定方向中发挥了作用，如偏振光等因素也需加以考虑。此外，还需开展分子学和细胞学研究，进一步揭示突触可塑性在定向系统中的运作机制，并验证其是否符合Kim团队的理论预测。最后，应在其他物种中验证这项研究提出的假设，毕竟果蝇的方向神经元与哺乳动物的头部方向细胞有许多类似的特性。
虽然果蝇永远无法成为“地铁站场景”的主角，但却加深了我们对“方向感”背后的神经机制的认识。更多研究工作正在等着我们开展。
参考文献：
1. Seelig, J. D. & Jayaraman, V. Nature 521, 186–191 (2015).
2. Fisher, Y. E., Lu, J., D’Alessandro, I. & Wilson, R. I. Nature 576, 121–125 (2019).
3. Kim, S. S. K., Hermundstad, A. M., Romani, S., Abbott, L. F. & Jayaraman, V. Nature 576, 126–131 (2019).
4. Strauss, R., Schuster, S. & Götz, K. G. J. Exp. Biol. 200, 1281–1296 (1997).
5. Wehner, R. Annu. Rev. Entomol. 29, 277–298 (1984).
原文以How a fly’s neural compass adapts to an ever-changing world为标题发表在2019年11月20日的《自然》新闻与观点上
本文来自微信公众号：Nature自然科研（ID：Nature-Research），原作者：Malcolm G. Campbell &Lisa M. Giocomo