导航时苍蝇可以绘制出灵活的世界思维图

在圆形竞技场中，果蝇在黑色和蓝色灯光照亮的虚拟景观中导航。苍蝇被束缚在适当的位置，能够拍打翅膀，但不能移动其头部。墙上的图像旋转，给人以运动的错觉。

但是，这不是昆虫狂欢节。Howard Hughes医学院的Janelia研究园区的研究人员正在使用这种设置来研究果蝇如何获得方位并建立世界思维图。

现在，在Janelia和哈佛医学院分别进行的两项研究表明，苍蝇的神经罗盘如何利用视觉提示来完善昆虫的定向感。这两项研究均于2019年11月20日发表在《自然》(Nature)杂志上，表明苍蝇的心理图具有惊人的延展性。

科学家实际上可以通过修改神经罗盘来改写昆虫的方向感。只需少量视觉信息，苍蝇便可以绘制周围环境的新地图。

HHMI Hanna Gray研究员，哈佛大学的合著者Yvette Fisher说，理论研究已经解释了大脑中的空间图可能如何适应新的视觉对象。“但是没有人在机械方面看到过它。”

加利福尼亚大学圣塔芭芭拉分校的神经科学家Sung Soo Kim说，这些发现为人们提供了新的见解，使人们知道大脑如何构建一个稳定的场景图，同时又保持足够的灵活性以适应新的场景。费舍尔补充说，这项工作还对其他动物如何在野外航行产生了影响，从诸如蚂蚁和的昆虫等昆虫到诸如小鼠的哺乳动物甚至人类。

方向感

像人类一样，苍蝇可以利用周围环境中的地标快速定向自己，从而绘制出周围环境的思维导图。

珍妮莉亚高级小组负责人维维克·贾亚拉曼(Vivek Jayaraman)及其实验室在过去的研究中表明，苍蝇的大脑中有一圈“罗盘神经元”，反映了苍蝇在太空中的方向。当苍蝇面向某个特定方向时，环周围某处的神经元就会发生一阵活动。当苍蝇转弯时，颠簸运动以反映苍蝇的新方向，就像罗盘针不断旋转指向北方。

贾亚拉曼说，这些罗盘神经元即使在漆黑的黑暗中也能对苍蝇的转弯做出反应-但增加视觉提示可以使苍蝇更好地感知方向。“问题是，指南针如何使两个信息源(转弯和视觉提示)保持同步?”

一种建议的解释是，每个视觉神经元都接触环中的每个指南针神经元。有些联系比其他联系更强大。它们的相对强度在苍蝇的大脑中建立了一张地图。反复看到特定方向的地标将加强指南针神经元和传递有关世界信息的视觉神经元之间的某些联系。

在这种解释中，连接具有延展性-能够随着时间的流逝而随着景观的变化而改变强度。例如，如果关键地标出现在不同的位置，则某些连接将减弱，而其他连接将相应增强，从而更新了苍蝇的思维图。在野生动物中进行测试是一个复杂的想法。但是有了实验室中的苍蝇，科学家们现在可以了。

Fisher和她在HHMI研究人员Rachel Wilson在哈佛的实验室中的同事将苍蝇放到了虚拟现实领域，并记录了他们游荡时的大脑活动。在黑暗中，果蝇最终失去了方向感-指南针的“颠簸”与苍蝇指向的方向不匹配。但是，在竞技场墙壁上发出单个明亮的光作为路标，使指南针得以保持其准确性。 。

然后，费舍尔和她的同事们从第一盏灯直接穿过了整个舞台。在这种新的视觉环境中，一些神经元变得聊天，而另一些神经元则变得安静。几分钟后，他们删除了第二个视觉提示，使苍蝇返回原始场景。他们发现，大脑重新解释了原始环境：指南针现在指向了不同的方向。而且在变化的环境中特别健谈的神经元已经改变了它们与视觉神经元的联系-这表明苍蝇可以随着时间的推移更新其地图。

可重写地图

与此同时，贾亚拉曼(Jayaraman)，金(Kim)及其在简妮亚(Janelia)的同事们也看到了灵活绘制更复杂的视觉场景的迹象。他们将苍蝇放到了另一个虚拟现实世界中，将昆虫束缚在葡萄柚大小的房间中的适当位置，但给了它们飞行的幻觉。研究小组表示，随着时间的流逝，苍蝇将场景中关键视觉特征的定位与某些指南针神经元联系在一起。看到这些视觉线索激活了罗盘的神经元，并告诉苍蝇它的前进方向。

珍妮莉亚(Janelia)助理做这项研究的金说：“随着果蝇重复这种经历，这种关系变得更牢固，随着时间的推移，它们会加强神经元之间的联系。重要的是，苍蝇可以在不同的视觉环境中重新进行此操作。

Janelia与金和Jayaraman合作的理论神经科学家之一安·赫蒙德斯塔德(Ann Hermundstad)说：“这条电路的美丽之处在于，它使我们能够严格测试在20或30年前理论化的模型。”“我们现在可以预测指南针在快速处理新设置方面应具有的灵活性，并可以通过新的实验测试这些预测。”

例如，金(Kim)表示，苍蝇并不需要总是绕一个完整的圈来绘制地图。仅仅通过场景的一部分就足够了。而且，他实际上可以使用称为光遗传学的技术来操纵苍蝇的内部罗盘，以操纵单个神经元。现在，曾经使苍蝇飞行的神经元认为它向右转，而是将指南针向左移动。随着时间的流逝，苍蝇可以绘制出虚拟现实领域的新地图-只是倒退。

哈佛大学的威尔逊说，导航涉及一种尚未在电路层进行广泛研究的学习。与教导动物不同，例如，铃铛声会带来某种奖励。取而代之的是，苍蝇探索环境并随其自身学习。

威尔逊说，科学家已经将这种学习与哺乳动物的某些大脑区域联系起来，但是要精确地研究其在复杂的哺乳动物大脑中的工作却很困难。“这是一个非常具体的例证，说明大脑细胞如何在没有老师的情况下自下而上地学习事物。”

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