Cell：果蝇大脑导航研究揭示了一种非常规的神经元电信号模式的功能

在世界中航行绝非易事，尤其是在世界反推回来的时候。例如，撞击在果蝇右侧的气流，在果蝇转身后，可能变成逆风。为了保持在正确的航线上，果蝇的大脑必须解读那些随其身体的每次转动而不断变化的感觉。确实，将变化的感觉输入转化为对世界更稳定、地图式的理解，与动物在其环境中生存和导航的能力密切相关。为什么果蝇让这一切看起来如此简单？

现在，发表于《细胞》杂志的一项研究表明，果蝇大脑使用了一种惊人的经济策略。早期工作已经证明，果蝇通过结合四个神经信号来计算其行进方向，每个信号编码沿不同轴线的运动。这项新研究发现，对于风向，大脑不需要四个神经元群体，而只需要两个。这是因为在风感系统中，每个神经元群体可以处理两个相反的方向。

每个神经元群体能够表示两个方向之一的气流，这是通过群体内的单个神经元在快速的钠峰电位和较慢的钙峰电位之间切换实现的。这些发现从基础层面增进了我们对大脑如何计算的理解。

"我们发现了一种大脑可以进行向量数学运算的新方式，" 整合脑功能实验室负责人Gaby Maimon说。"我们的工作将细胞膜上离子通道的特性、通过单个神经元的电活动，与群体层面的计算联系了起来。这个系统的工作方式真的非常奇妙。"

进行数学运算

为了让果蝇在世界中穿行，它们的大脑将以身体为中心的感觉转化为以世界为中心的信号。原始的感觉输入本质上是不稳定的，每次动物移动都会改变。例如，如果一只果蝇迎风行走并转身90度，它们身体感受到的气流方向将从正面变为侧面；然而，世界中的风向根本没有改变。

大脑可以利用变化的身体气流感觉来计算稳定的导航参考方向。这些参考方向使得像果蝇这样的动物能够长距离迁徙、在线索消失后记住感兴趣的角度以及保持一致的航向。

"我们用眼睛看世界，并用身体在其中穿行，但我们看到的、听到的或皮肤感觉到的都是不同的单位，必须以某种方式组合起来，" Maimon实验室前成员、现为MIT博士后研究员的Itzel Gonzalez Ishida说。"大脑的工作就是执行这种转化，将这些感觉连接成一个更具体的空间感。"

Maimon及其同事之前的研究展示了果蝇如何计算其行进方向。在2021年发表于《自然》杂志的一项研究中，该团队发现果蝇大脑结合了四个不同神经元群体的活动，每个群体编码沿不同轴线的运动，来计算动物要去哪里——即使其头部指向一个方向而身体移向另一个方向。

这四种基本输入共同使果蝇大脑能够构建一个以世界坐标为参照的、追踪其行进方向的信号，这应该能让果蝇在姿势或身体方向发生变化时保持导航方向。

该研究的一个关键见解是，果蝇大脑实际上执行向量数学运算。每个运动敏感神经元群体编码一个二维向量，其方向和强度由一个波形的活动模式表示。这些向量被旋转到一个共享的、以世界为中心的参照系中，然后求和，产生一个指向果蝇行进方向的单一输出向量。

然而，在这个系统中，表示所有可能的行进方向需要四个独立的神经群体来编码四个向量。因为每个向量只能指向一个方向，所以大脑需要单独的神经元组来表示相反方向的运动。

从原理上讲，如果每个编码向量能够反转方向，同样的数学运算只需要两个群体——每个维度一个。高中物理告诉我们，只需两个——而不是四个——基本向量相加，就能构建一个指向任何方向的合向量。因此，果蝇大脑使用四个向量对研究人员来说显得有些多余。

他们想知道，果蝇的神经系统是否能够更有效地进行这种向量计算？

双重职责

为了找到答案，Maimon的团队首先构建了一个虚拟现实系统，让果蝇在一个由气流支撑的球体上行走，同时体验来自任何方向的受控气流。当果蝇面对气流时，研究人员将注意力集中在一组对气流敏感的神经元上，即PFNa细胞——这是一个自然的目标，因为早期研究表明它们专门对气流刺激作出反应。

当研究人员记录这些神经元的活动时，情况变得很清楚：PFNa细胞以一种意想不到的方式活动。它们并非在特定的气流方向产生单一、清晰的活动峰值，而是以相似的强度表示两个相反的方向——这是一种不符合任何现有导航模型的奇怪模式。

但起初看起来令人困惑的地方，结果却是一个关键线索。PFNa神经元在两种不同的电信号模式之间切换。当细胞接收到大量兴奋性输入时，它们会发射快速的、常规的钠峰电位。而当它们接收到大量抑制性输入时，它们不会像大多数神经元那样保持沉默，而是产生较慢的、非典型的钙基峰电位。

这些钙峰电位在实验室博士后研究员Sachin Sethi所做的电生理记录中很明显，他对该项目做出了显著贡献。进一步的实验表明，这种切换依赖于一个名为Ca-α1T的基因。

"当我们第一次看到钙峰电位时，那真的非常引人入胜，" Ishida说。

这些峰电位以δ频率振荡，这种节律在人类中最为人所知的是深度睡眠时的节律。然而，在这里，它们出现在完全清醒、正在进行实时导航的果蝇身上。此外，这种非典型的峰电位表明这些细胞可能在执行某些独特的任务。

"我们的观察提出了这种可能性，即这些类似δ波的信号可能赋予了这些细胞以一种独特的方式进行计算的能力，" Ishida补充道。

研究小组很快发现了这些细胞的真正作用。当气流从一个方向到达果蝇时，这个回路中的神经元变得最活跃，并发射它们通常的钠峰电位。但是当气流从相反方向到达时，这些相同的神经元并不会沉默。相反，它们改变了信号发送方式，产生较慢的、有节奏的钙峰电位。通过这种方式，PFNa细胞群体可以同时表示一个向量及其反向向量，从而使大脑仅通过两个——而不是四个——神经元编码的向量求和，就能表示所有可能的风向。

总而言之，这些发现揭示了单个导航计算如何在多个生物学层面上展开，从分子到行为。在最高层面，果蝇的大脑将以身体为中心的感觉（例如风吹到其侧面）转化为稳定的、以世界为中心的环境理解。这一计算是高效完成的，通过能够通过发射钠和钙峰电位的能力，来传递指向相反方向的向量的神经元。

支撑这种双向信号传递的是一个名为Ca-α1T的基因，它产生钙峰电位，并使得一种数学上复杂的空间计算能够通过一个单一而优雅的系统来实现。

PFNa细胞表现出的双向信号传递挑战了神经科学中一个长期存在的假设，即神经元只有在兴奋时才有意义地传递信息。

"谁能想到神经元既能在兴奋时也能在抑制时传递信号，而且更不用说还能翻转向量的符号？" Maimon说。

在这项研究之前，人们已经知道一些神经元除了钠峰电位外还能发射钙峰电位，但它们的目的从未完全明确。通过展示这种隐藏的能力如何被用来执行精确的数学运算，这项工作表明类似机制可能在大脑的其他地方也在发挥作用，正等待着被发现。

"这项工作提出了一种可能性，即我们曾认为与睡眠或无唤醒状态最相关的电活动过程，实际上在清醒时也在发挥作用，以帮助动物导航和思考，" Maimon说。"这项工作提醒我们，即使是一些最基本的神经元电特性也未被完全理解，这是一个令人鼓舞的信号，表明还有很多东西有待我们去学习。"（生物谷Bioon.com）

参考文献：

Itzel G. Ishida et al, Neuronal calcium spikes enable vector inversion in the Drosophila brain, Cell (2025). DOI: 10.1016/j.cell.2025.11.040.