大腦怎麼知道出了地鐵站往哪走？_風聞

來源：公眾號 Nature自然科研

兩項果蠅研究揭示了大腦的定向系統是如何將環境地標與自我定位信息聯繫起來的，這種聯繫對於準確導航來説非常關鍵。

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”的神經元。以環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，研究人員發現果蠅也有非常類似的細胞——稱為“方向神經元”1，而果蠅比哺乳動物好研究多了。基於這一發現，Fisher等人2和Kim等人3分別在《自然》上發文，試圖解答一個存在了幾十年的問題：這種神經元如何兼顧穩定性和靈活性，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，那麼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，你可能要看一下週圍的路牌、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需要處理的兩大挑戰。其一，它必須能在熟悉的環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佈，即便其中一些地標之前見過。

果蠅這種定位能力背後的神經機制完美闡釋了什麼叫形式追隨功能。果蠅的方向神經元（也稱為E-PG或羅盤神經元）呈環形排列，對應果蠅可能面對的360°環周方向1——有時也稱方向角。神經元之間會相互抑制，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境中，這些方向神經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。方向神經元接收來自視覺環路神經元的輸入，而視覺環路神經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|經過熒光蛋白標記的果蠅大腦中央複合體的神經元。果蠅的中央複合體包括一個環狀結構，名為“橢球體”，其中就有方向神經元。這些神經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境中進行自我定向，以及如何迅速適應新環境——這要歸功於視覺環路神經元傳遞給方向神經元的信號，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（其中許多隻能在果蠅身上實現）測試了視覺環路神經元和方向神經元之間的連接是否以及如何隨經驗變化。他們構建了一個虛擬現實（VR）系統，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。在果蠅探索虛擬環境時，研究人員測量了視覺環路神經元傳遞給方向神經元的輸入。他們還通過遺傳學技術抑制了視覺環路神經元的活動。

實驗發現，特定角度的視覺線索激活的視覺環路神經元會抑制果蠅的單個方向神經元。由於這種抑制關係具有特異性，視覺輸入強化了方向神經元的定向偏好。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境中將視覺輸入穩定轉換成定向信號的。

Fisher等人繼續探索第二個問題：方向神經元如何適應新環境。他們給果蠅兩個相同的視覺線索，但方向差了180°——這是一個模糊的環境，在這個環境中轉半圈或一圈都能看到同樣的視覺線索。由於果蠅的方向神經元一次只能提示一個方向角，因此，這些方向神經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後，視覺輸入與方向網絡整體活動的關係有時候會發生180°的變化。傳遞給方向神經元的視覺輸入也會發生強度改變，但僅限於在雙線索環境下被激活的方向神經元。

這一結果表明，視覺環路神經元和方向神經元會在新環境中形成新的連接。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路神經元和下游的方向神經元被協同激活，這會使兩者之間的抑制性突觸連接強度減弱，導致方向神經元對視覺環路神經元抑制的敏感度降低，這種現象也被稱為“關聯可塑性”（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元，改變神經元的方向偏好。刺激結束後，方向神經元的活動和視覺輸入之間的偏移保持不變，説明定向系統能夠建立新的視覺-方向關聯。與刺激結合時，局部場景也能引起方向神經元網絡的整體變化。方向神經元網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等人想知道方向網絡是否能“記住”多個場景。首先，他們發現把果蠅放入不同場景中，可以引發方向神經元的不同方向偏好。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一系列不同的場景，每隻果蠅對特定場景的方向偏好始終是穩定的。也就是説，果蠅的方向網絡可以儲存並提取場景記憶。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絡能夠通過關聯可塑性學習。接下來的工作應進一步探索這個定向系統的記憶容量。一個關鍵問題是，果蠅等昆蟲究竟是靠對複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中的運作機制，並驗證其是否符合Kim團隊的理論預測。最後，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”背後的神經機制的認識。更多研究工作正在等着我們開展。

參考文獻：

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).