詳細(xì)內(nèi)容如下：來(lái)源：自然科研兩項(xiàng)果蠅研究揭示了大腦的定向系統(tǒng)是如何將環(huán)境地標(biāo)與自我定位信息聯(lián)系起來(lái)的，這種聯(lián)系對(duì)于準(zhǔn)確導(dǎo)航來(lái)說(shuō)非常關(guān)鍵。

　　我們都知道，想要探索世界，方向感很重要。在哺乳動(dòng)物中，這種“方向感”主要來(lái)自被稱作“頭部方向細(xì)胞”的神經(jīng)元。以環(huán)境中的地標(biāo)為參考系，當(dāng)動(dòng)物面朝特定方向時(shí)，這些方向細(xì)胞一個(gè)個(gè)會(huì)變得格外活躍。無(wú)論何時(shí)何地，這些細(xì)胞的活動(dòng)能替動(dòng)物指示它們面對(duì)的方向。

 

 

　　2015年，研究人員發(fā)現(xiàn)果蠅也有非常類似的細(xì)胞——稱為“方向神經(jīng)元”1，而果蠅比哺乳動(dòng)物好研究多了?；谶@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(gè)存在了幾十年的問(wèn)題：這種神經(jīng)元如何兼顧穩(wěn)定性和靈活性，既能對(duì)地標(biāo)位置做出可靠反應(yīng)，又能迅速適應(yīng)新環(huán)境？

　　舉個(gè)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(shè)你是第一次來(lái)到這個(gè)地鐵站，判斷方向就需要花點(diǎn)時(shí)間，你可能要看一下周圍的路牌、商鋪和地標(biāo)。但用不了多久，你就知道自己該往哪個(gè)方向走了。

　　上面這個(gè)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(biāo)分布，即便其中一些地標(biāo)之前見(jiàn)過(guò)。

　　果蠅這種定位能力背后的神經(jīng)機(jī)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(duì)應(yīng)果蠅可能面對(duì)的360°環(huán)周方向1——有時(shí)也稱方向角。神經(jīng)元之間會(huì)相互抑制，每次只指示一個(gè)方向角，為果蠅提供明確的信號(hào)。

　　要注意的是，當(dāng)果蠅進(jìn)入一個(gè)新環(huán)境中，這些方向神經(jīng)元的活動(dòng)不再按照特定方向（如北方）調(diào)整，而是隨意地重新調(diào)整。方向神經(jīng)元接收來(lái)自視覺(jué)環(huán)路神經(jīng)元的輸入，而視覺(jué)環(huán)路神經(jīng)元的激活主要依靠特定方向的視覺(jué)線索以及與自運(yùn)動(dòng)有關(guān)的內(nèi)在線索。

　　Fisher等人利用多項(xiàng)實(shí)驗(yàn)技術(shù)（其中許多只能在果蠅身上實(shí)現(xiàn)）測(cè)試了視覺(jué)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(yàn)變化。他們構(gòu)建了一個(gè)虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）系統(tǒng)，讓果蠅在浮球上爬行。一排燈光會(huì)隨果蠅移動(dòng)相應(yīng)閃爍4，為果蠅提供視覺(jué)線索，助其自我定位。在果蠅探索虛擬環(huán)境時(shí)，研究人員測(cè)量了視覺(jué)環(huán)路神經(jīng)元傳遞給方向神經(jīng)元的輸入。他們還通過(guò)遺傳學(xué)技術(shù)抑制了視覺(jué)環(huán)路神經(jīng)元的活動(dòng)。

　　實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，特定角度的視覺(jué)線索激活的視覺(jué)環(huán)路神經(jīng)元會(huì)抑制果蠅的單個(gè)方向神經(jīng)元。由于這種抑制關(guān)系具有特異性，視覺(jué)輸入強(qiáng)化了方向神經(jīng)元的定向偏好。這就解決了地鐵場(chǎng)景的第一個(gè)問(wèn)題：大腦是如何在熟悉的環(huán)境中將視覺(jué)輸入穩(wěn)定轉(zhuǎn)換成定向信號(hào)的。

　　Fisher等人繼續(xù)探索第二個(gè)問(wèn)題：方向神經(jīng)元如何適應(yīng)新環(huán)境。他們給果蠅兩個(gè)相同的視覺(jué)線索，但方向差了180°——這是一個(gè)模糊的環(huán)境，在這個(gè)環(huán)境中轉(zhuǎn)半圈或一圈都能看到同樣的視覺(jué)線索。由于果蠅的方向神經(jīng)元一次只能提示一個(gè)方向角，因此，這些方向神經(jīng)元需要在兩個(gè)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(jué)輸入與方向網(wǎng)絡(luò)整體活動(dòng)的關(guān)系有時(shí)候會(huì)發(fā)生180°的變化。傳遞給方向神經(jīng)元的視覺(jué)輸入也會(huì)發(fā)生強(qiáng)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(jié)果表明，視覺(jué)環(huán)路神經(jīng)元和方向神經(jīng)元會(huì)在新環(huán)境中形成新的連接。要建立新連接，僅僅改變視覺(jué)線索是不夠的，還需要上游的視覺(jué)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(huì)使兩者之間的抑制性突觸連接強(qiáng)度減弱，導(dǎo)致方向神經(jīng)元對(duì)視覺(jué)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(guān)聯(lián)可塑性”（associative plasticity）。

　　在Kim等人開展的互補(bǔ)實(shí)驗(yàn)中，果蠅被放入了由自然圖片呈現(xiàn)的VR場(chǎng)景中，更貼近真實(shí)世界。他們?cè)诠壗邮找曈X(jué)線索的隨機(jī)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(jié)束后，方向神經(jīng)元的活動(dòng)和視覺(jué)輸入之間的偏移保持不變，說(shuō)明定向系統(tǒng)能夠建立新的視覺(jué)-方向關(guān)聯(lián)。與刺激結(jié)合時(shí)，局部場(chǎng)景也能引起方向神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)的整體變化。方向神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)的這個(gè)功能或能解釋為何我們?cè)谛碌牡罔F站不用360°全看一遍就能判斷方向。

　　不過(guò)，這種靈活性也有一個(gè)缺點(diǎn)——如果突觸連接可以被改變，那它們會(huì)被消除嗎？Kim等人想知道方向網(wǎng)絡(luò)是否能“記住”多個(gè)場(chǎng)景。首先，他們發(fā)現(xiàn)把果蠅放入不同場(chǎng)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(gè)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(chǎng)景，每只果蠅對(duì)特定場(chǎng)景的方向偏好始終是穩(wěn)定的。也就是說(shuō)，果蠅的方向網(wǎng)絡(luò)可以儲(chǔ)存并提取場(chǎng)景記憶。研究人員在論文結(jié)尾提出假設(shè)理論，預(yù)測(cè)哪些類型的場(chǎng)景可以被同步儲(chǔ)存，以及如何能在不刪除原有記憶的同時(shí)學(xué)習(xí)新的場(chǎng)景。

　　這兩項(xiàng)研究設(shè)計(jì)嚴(yán)謹(jǐn)，證明了果蠅的方向網(wǎng)絡(luò)能夠通過(guò)關(guān)聯(lián)可塑性學(xué)習(xí)。接下來(lái)的工作應(yīng)進(jìn)一步探索這個(gè)定向系統(tǒng)的記憶容量。一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題是，果蠅等昆蟲究竟是靠對(duì)復(fù)雜場(chǎng)景的記憶還是靠太陽(yáng)等天體的線索進(jìn)行導(dǎo)航的5。其他類型的感覺(jué)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(xué)和細(xì)胞學(xué)研究，進(jìn)一步揭示突觸可塑性在定向系統(tǒng)中的運(yùn)作機(jī)制，并驗(yàn)證其是否符合Kim團(tuán)隊(duì)的理論預(yù)測(cè)。最后，應(yīng)在其他物種中驗(yàn)證這項(xiàng)研究提出的假設(shè)，畢竟果蠅的方向神經(jīng)元與哺乳動(dòng)物的頭部方向細(xì)胞有許多類似的特性。

　　雖然果蠅永遠(yuǎn)無(wú)法成為“地鐵站場(chǎng)景”的主角，但卻加深了我們對(duì)“方向感”背后的神經(jīng)機(jī)制的認(rèn)識(shí)。更多研究工作正在等著我們開展。

本文文章轉(zhuǎn)載自新浪新聞