坐落在果蠅大腦的深處，專門的神經(jīng)細胞將自己編織成一個小指南針。來自Janelia Research Campus的神經(jīng)科學(xué)家的新結(jié)果闡明了該電路的結(jié)構(gòu)以及共同移動羅盤針的神經(jīng)力。

除了揭示果蠅如何導(dǎo)航的細節(jié)之外，結(jié)果還提供了一個更宏大和神秘過程的洞察力：大腦如何創(chuàng)建和維護外部世界的內(nèi)部圖片。Janelia集團領(lǐng)導(dǎo)人Vivek Jayaraman說，這種可能性對我們來說是“最激動人心的事情”。“這是一個與認知有關(guān)的東西的窗口。”

形狀像甜甜圈的大腦結(jié)構(gòu)充當(dāng)果蠅Drosophila melanogaster的內(nèi)部指南針。形成這種結(jié)構(gòu)的一些神經(jīng)細胞，稱為橢圓體，起到羅盤針的作用。例如，如果蒼蠅改變方向，一條神經(jīng)細胞活動的方向改變方向也會隨著蒼蠅的轉(zhuǎn)動而從細胞周圍移動到鄰近的細胞周圍，Jayaraman和Johannes Seelig在2015年的自然報告中報道。Seelig是Janelia的前博士后研究員，現(xiàn)在是德國波恩高級歐洲研究和研究中心的組長。

現(xiàn)在，Jayaraman及其同事更進一步展示了蒼蠅的大腦是如何產(chǎn)生如此精確的神經(jīng)針的。

一組稱為E-PG神經(jīng)元的橢圓體神經(jīng)細胞通過有效激活鄰近神經(jīng)元并抑制更遠的神經(jīng)細胞來設(shè)置羅盤針，Jayaraman及其同事Sung Soo Kim，HervéRouault和Shaul Druckmann，所有Janelia科學(xué)家報道5月4日在科學(xué)。那些動態(tài) - 附近的激活和遙遠的壓制 - 有助于在羅盤上保持單一，穩(wěn)定的航向。

但是，Jayaraman和Janelia集團領(lǐng)導(dǎo)人Shaul Druckmannshows之間的另一項合作是E-PG神經(jīng)元不能獨自移動指南針。研究人員于5月22日在eLife報告說，就像指尖精巧地放在一塊ouija板上一樣，另一組稱為P-EN神經(jīng)元的神經(jīng)細胞會轉(zhuǎn)動針頭。

P-EN神經(jīng)元形成一個手柄狀結(jié)構(gòu)，位于橢球體上方，在那里它們能夠向E-PG神經(jīng)元發(fā)送信號并接收信息。這些車把神經(jīng)元位于圓形羅盤的頂部，可完美定位以控制羅盤針并響應(yīng)其運動。Janelia神經(jīng)解剖學(xué)家Tanya Wolff描述的這種空間安排向研究人員提供了系統(tǒng)如何工作的建議。這是“關(guān)于這個特定電路最美麗的事情之一，”德魯克曼說。“從它如何運作的結(jié)構(gòu)中獲得這種直覺是一個巨大的推動力。”

研究人員研究了基因工程的蒼蠅，以便某些神經(jīng)元在活躍時發(fā)光。Janelia研究科學(xué)家Daniel Turner-Evans隨后使用精密顯微鏡觀察蒼蠅在球上行走時的神經(jīng)活動。特納 - 埃文斯看著神經(jīng)元發(fā)光，表明E-PG羅盤神經(jīng)元的活動。但他也看到了似乎是P-EN神經(jīng)元在蒼蠅轉(zhuǎn)向時轉(zhuǎn)移了神經(jīng)活動。“你可以看到相互作用，系統(tǒng)的推拉力，”他說。

當(dāng)把手中的P-EN神經(jīng)元檢測到蒼蠅已經(jīng)轉(zhuǎn)動時，它們將信號發(fā)送到指南針中的E-PG神經(jīng)元，以便在轉(zhuǎn)彎方向上稍微輕推針。“基本上你有一套木偶弦，你可以用這種方式拉動活動，”Jayaraman說。但這不是一條單行道。關(guān)于蒼蠅當(dāng)前位置的信息然后移回到車把P-EN神經(jīng)元，讓兩組神經(jīng)元都知道飛行的位置。

Janelia博士后助理Stephanie Wegener進行的其他實驗表明，當(dāng)蒼蠅轉(zhuǎn)向右側(cè)時，一些個體P-EN神經(jīng)元會響應(yīng)，而當(dāng)蒼蠅左轉(zhuǎn)時，其他人會做出反應(yīng)。研究人員懷疑，一些未被發(fā)現(xiàn)的因素可能會提升飛行的導(dǎo)航能力。“我們決不會說我們理解一切是如何運作的，”韋格納說。“我們非常了解這個難題的一部分，但它只是一個大難題的一小部分。”

更多線索來自紐約洛克菲勒大學(xué)的神經(jīng)科學(xué)家蓋比梅蒙的小組。在5月22日在線發(fā)表在“自然”雜志上的一篇論文中，他和同事描述了不同P-EN神經(jīng)元群體所起的導(dǎo)航作用。

他說，由于Janelia獨特的協(xié)作環(huán)境，Jayaraman和他的同事很快就取得了進展。“在實驗進行的過程中，你實際上可以將理論師放在同一個房間里，不斷與實驗者交談，”他說。“這是一個奇妙的Janelian事情，易于互動，專注于協(xié)作。”Rouault和Druckmann對系統(tǒng)如何工作的理論理解通過實驗進行了測試，這些實驗提供了研究人員用來改進理論的結(jié)果。

采用實驗和理論方法應(yīng)該有助于研究人員深入研究飛行導(dǎo)航系統(tǒng)。“我們很想知道大局，”Jayaraman說。“這個羅盤如何使用?”

在人類中，方向感只是制定導(dǎo)航?jīng)Q策的眾多因素之一。一個人通?？梢灾苯幼叩降罔F站，但在炎熱的一天可能會繞道往市場喝一杯。類似的因素可能會影響果蠅大腦的決定。“我們想象這種指南針有時會用于飛行的某些事情，”Jayaraman說。

他和他的同事正在研究如何研究果蠅中更復(fù)雜的決定。弄清楚果蠅如何創(chuàng)造和使用其環(huán)境模型可以提供關(guān)于我們?nèi)祟惾绾沃牢覀冊谀睦镆约跋乱徊饺ツ睦锏闹匾€索。