Nature：方向感如何产生？科学家揭晓大脑相关机制

来源：生物探索

“出门靠导航，方向靠左右”是现在的普遍现象。想象一下，从地铁站走到拥挤的街道上，如果你是一名常客，可能只需一眼就能知道自己的位置。但如果你从未去过这个地铁站，你可能需要时间来定位自己，留意周围的街道标志、商店或打开导航，不久，你才有了方位，并朝正确的方向出发。

来源：pixabay

近日，有科学家在《Nature》上揭示了大脑定向系统的相关机制，即将自我定位的相关信息与环境地标相结合，这是精确导航的关键过程。Fisher研究团队和Kim课题组分别通过研究，回答了方向神经元如何对地标位置作出稳妥的反应，如何在新环境下迅速定位的难题。

doi.org/10.1038/d41586-019-03443-1

用果蝇来研究大脑定位系统是个极好的例子。研究者发现方向神经元（heading neurons）位于大脑中心复合体中的一个环状的椭球体（ellipsoid body）中，这些细胞对应着所有可能的方向，以提供一个可以用来导航的信号。

位于大脑中央复合体中的方向神经元（用荧光蛋白标记）来源：Tanya Wolff

在熟悉的环境中指明方向

Fisher等人开始测试视觉环神经元和方向神经元之间的联系与变化，他们使用虚拟现实（virtual-reality，VR）系统——果蝇在浮球上行走，一系列灯光围绕着果蝇，并随着其移动而同步闪烁，提供了视觉线索，使果蝇能够定位自己。然后，当果蝇探索这个虚拟环境时，作者测量了从视觉环神经元到方向神经元的输入，此外还利用基因技术来抑制视觉环神经元的活动。

结果发现，视觉神经元被特定角度的视觉线索激活后，进而会抑制方向神经元，由于这种配对的特异性，视觉输入增强了方向神经元的选择偏好。

在新环境中迅速定位

Fisher等研究者向果蝇展示了两种完全相同但是相距180°的视觉线索，在一个模糊的环境中，半圈和全圈产生的视觉线索是一样的。因为果蝇的方向神经元一次只能指向一个角度，所以它们会在两个相反的方向间反复转换，当把果蝇放入单一视觉线索世界，发现视觉输入与方向网络的整个活动关系有时会发生180°变化，视觉输入对方向神经元的强度也有所变化。

结果表明在新的环境中，视觉环神经元和方向神经元间可以形成新的联系，当然，简单的视觉改变是不够的，相反，上游视觉环神经元和下游方向神经元必须有一个协调的激活反应，这导致它们之间抑制性突触连接的强度降低，从而使方向神经元对视觉环神经元的抑制就变得不那么敏感了。这种现象被称为联想可塑性（associative plasticity）。

Kim 等研究团队也做了互补实验，用任意方向的视觉线索刺激果蝇的方向神经元，从而改变神经元的首选方向。刺激期之后，发现方向神经元活动与视觉输入间的偏移保持不变，这极大证明了视觉和方向感相结合的系统学习能力。

结语

这些研究共同建立了果蝇的方向网络——通过视觉环神经元和方向神经元的联想可塑性，加深了我们对产生方向感的神经机制的理解。

此外，除了视觉线索外，其他类型的线索如光偏振等感觉输入、太阳等天象对果蝇的方向感影响也值得考虑，同时需要大量的分子和细胞工作来揭示系统中的突触可塑性规律，这意味着有很丰富的研究前景。

参考资料：

[1]. How a fly’s neural compass adapts to an ever-changing world

[2]. Fisher, Y. E., Lu, J., D’Alessandro, I. & Wilson, R. I. Nature

[3]. Kim, S. S. K., Hermundstad, A. M., Romani, S., Abbott, L. F.& Jayaraman, V. Nature