导航并不总是按计划进行——这是苍蝇学习的一课，当强烈的逆风无视它们向前拍打的翅膀时，它们会向后分流。鱼向上游游动，螃蟹侧身掠过，甚至向左看向右看的人类也面临着类似的挑战。当头部指向一个方向而身体在另一个方向移动时，大脑如何计算动物的行进方向是神经科学中的一个谜。

一项新研究报告称，果蝇大脑有一组神经元，无论头部指向哪个方向，都可以发出身体行进方向的信号，从而在解开这个谜团方面取得了重大进展。发表在《自然》杂志上的研究结果 还详细描述了苍蝇的大脑如何从更基本的感官输入中计算出这个信号。

“这些神经元不仅向苍蝇的行进方向发出信号，而且还在以世界为中心的参考系中发出信号，”洛克菲勒神经科学家 Gaby Maimon 说。Maimon 实验室的研究生、第一作者 Cheng Lyu 补充说，值得注意的是，这些昆虫正在将身体参考的感官输入转化为世界参考信号，让苍蝇知道它正在旅行，例如，90 度在太阳的右边或向北。

找个地方

即使当我们闭上眼睛时，我们通常也会清楚地知道我们在房间里的位置以及我们面对的方向。这是因为，即使在黑暗中，我们的大脑也会对我们在太空中的位置建立内部理解。在 1980 年代，科学家们发现一组称为头向细胞的细胞在让我们知道自己的角度方向方面起着关键作用，后来发现果蝇也有类似功能的细胞。细胞的活动表明头部指向的角度，类似于指南针如何指示一个人在环境中的方向。

只要我们走路——或者苍蝇在飞——与头部朝向的方向一致，一切都很好。头部方向单元可用于更新一个人要去哪里的内部感觉。但是，如果我们朝东走向北，或者如果一只苍蝇试图在风将其向后推动时向前嗡嗡作响，则头部方向单元会指向错误的方向。然而该系统仍然有效。苍蝇相对不受风流的影响，而人类在旋转以欣赏风景时不会迷路。Lyu 和 Maimon 想知道苍蝇如何知道它们要去哪里，即使它们的头部方向细胞似乎传递了不准确的信息。

为了回答这个问题，Lyu 将果蝇粘在只固定昆虫头部的微型安全带上，使他能够记录大脑活动，同时让果蝇自由地拍打翅膀并在虚拟环境中引导它们的身体。该设置包含几个视觉提示，包括代表太阳的明亮光线和可以调整的调光点场，以使苍蝇感觉它被向后或向后吹。

正如预期的那样，头部方向单元一致地指示苍蝇相对于太阳的方向，由强光模拟，与调光点的运动无关。此外，研究人员还确定了一组新的细胞，这些细胞可以指示果蝇行进的方向，而不仅仅是它们的头部指向的方向。例如，如果苍蝇在被吹向后时直接面向东方的太阳，这些细胞表明苍蝇(实际上)正在向西行进。“这是已知的第一组细胞，可以指示动物在以世界为中心的参考系中的移动方式，”迈蒙说。

心算

但该团队也想知道苍蝇的大脑如何在细胞水平上计算动物的行进方向。通过与哥伦比亚大学祖克曼研究所的理论家拉里·阿博特 (Larry Abbott) 合作，Lyu 和 Maimon 能够证明果蝇大脑参与了某种数学练习。

绘制对象轨迹的物理学生会将轨迹分解为沿 x 轴和 y 轴绘制的运动分量。同样，在苍蝇的大脑中，对视觉运动敏感的四类神经元将苍蝇的行进方向指示为沿四个轴的分量。每个神经元类都可以被认为是代表一个数学向量。矢量的角度指向其关联轴的方向。矢量的长度表示苍蝇沿该方向移动的速度。“令人惊讶的是，苍蝇大脑中的神经回路旋转这四个向量，使它们与太阳的角度正确对齐，然后将它们相加，”迈蒙说。“结果是一个输出向量，指向苍蝇行进的方向，参考太阳。”

矢量数学不仅仅是对发生的计算的类比。相反，苍蝇大脑似乎在执行矢量运算。在这个回路中，神经元群体明确地将向量表示为活动波，波的位置代表向量的角度，波的高度代表其长度。研究人员甚至通过精确操纵四个输入向量的长度来测试这个想法，并显示输出向量的变化就像苍蝇实际上将向量相加一样。

“我们提出了一个强有力的论点，即这里发生的事情是大脑中向量数学的明确实现。” 迈蒙说。“这项研究的独特之处在于，我们用大量证据展示了神经元回路如何实现相对复杂的数学运算。”

理解空间认知

目前的研究阐明了苍蝇是如何在当下找出它们要去的方向的。未来的研究将检查这些昆虫如何随着时间的推移跟踪它们的行进方向，以了解它们最终去了哪里。“一个核心问题是大脑如何随着时间的推移整合与动物行进方向和速度相关的信号以形成记忆，”Lyu 说。“研究人员可以将我们的发现用作研究大脑中工作记忆是什么样子的平台。”

这些发现也可能对人类疾病产生影响。由于空间混乱通常是阿尔茨海默病的早期征兆，因此许多神经科学家对了解大脑如何构建内部空间感很感兴趣。“具有微小大脑的昆虫对它们的行进方向有明确的了解，这一事实应该迫使研究人员在哺乳动物大脑中寻找类似的信号和类似的定量操作，”迈蒙说。

“这样的发现可能会为阿尔茨海默病的功能障碍以及其他影响空间认知的神经系统疾病提供信息。”