《Cell》最新研究：果蠅也會“掉頭導航”？

果蠅雖小，卻能完成復雜的導航任務，比如記住食物位置后原路返回。科學家發現，這背后依賴于大腦中一種類似“內部指南針”的神經環路。

基于此，2025年12月29日，洛克菲勒大學Gaby Maimon研究團隊在Cell雜志發表了“Neuronal calcium spikes enable vector inversion in the Drosophila brain”揭示了神經元鈣尖峰在果蠅大腦中實現向量反轉。

研究人員發現，果蠅大腦中一類特殊神經元通過“切換信號模式”來實現向量反轉，當它們從常規的鈉尖峰轉為由T型鈣通道（Ca-α1T）介導的超極化誘發鈣尖峰時，就能將內部導航向量精確翻轉180度。這種機制讓神經環路突破原有角度編碼限制，在原本“看不見”的方向上也能進行向量運算。這項工作生動展示了分子（鈣通道）、細胞（鈣尖峰）和環路（向量計算）如何協同工作，讓大腦完成類似數學運算的復雜任務。

圖一 鈣尖峰驅動果蠅腦中的向量反轉

果蠅雖然只有微小的大腦，卻能像擁有“內置導航儀”一樣，在環境中精準定向、逆風飛行甚至原路返回。這一切依賴于其中樞腦區：中央復合體中一套精巧的神經編碼系統。

這套系統的核心是EPG神經元，它們在橢球體中形成一個會隨果蠅轉向而旋轉的“鈣信號峰”，就像指南針一樣實時指示果蠅當前的朝向。這個方向信號還會傳到原腦橋，在那里形成兩個對稱的信號峰。

更神奇的是，下游的PFN神經元并不簡單復制這個方向，而是把EPG信號轉換成一種類似“數學向量”的編碼：它們的活動模式呈正弦波形，波的位置代表方向，波的高度代表強度。左右兩側的PFN向量分別被“扭轉”約45度，形成近90度夾角。當它們的信號在扇形體中疊加時，就能合成出指向任意方向的新向量，但僅限于90度范圍。

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要覆蓋完整的360度空間，系統必須具備“向量反轉”能力，也就是讓某個向量從“向前”變成“向后”。作者發現，這種反轉并非靠改變連接，而是通過一種特殊的電活動機制：PFN神經元在特定條件下會從常規的鈉尖峰切換為由T型鈣通道觸發的鈣尖峰。這種鈣尖峰會導致其活動相位相對于EPG信號偏移180度，相當于把向量方向完全翻轉。

這一機制使得果蠅能在原本無法表示的方向上進行導航計算，比如感知風向反轉或規劃返程路徑。

圖二 PFNa神經元通過相位反轉編碼氣流方向

研究人員發現，果蠅中一類名為 PFNa 的神經元能根據氣流方向動態調整其編碼方式：當風吹來時，它們在腦內形成的活動“峰”會相對于果蠅自身朝向（由EPG信號表示）有時對齊、有時反轉180度。例如，前方或后方來風時，左右兩側PFNa同時與朝向信號同相或反相；而側向來風時，僅對側PFNa發生反轉。

這種靈活的“相位切換”使PFNa能用兩個夾角固定的向量，通過部分或全部反轉方向，完整編碼360度范圍內的氣流方向。同時，在接收PFNa投射的結節區域，鈣信號也呈現出預測中的雙峰響應。對應向量正負方向的最大激活，進一步支持了“向量反轉”模型。

有趣的是，提供氣流輸入的上游神經元LNOa只有單峰響應，說明雙峰調諧和相位反轉是PFNa自身計算的結果。后續電生理實驗揭示，這一能力依賴于一種特殊的超極化誘發的鈣尖峰，為向量數學如何在真實神經環路中實現提供了關鍵機制解釋。

圖三 T型鈣通道驅動PFNa神經元的向量反轉

為探究PFNa神經元在結節中出現的第二個鈣峰來源，研究人員發現：人為超極化PFNa細胞能穩定誘發膜電位振蕩，提示這是其內在電特性。這種振蕩類似哺乳動物丘腦神經元的T型鈣通道依賴性放電，而果蠅唯一的T型鈣通道 Ca-α1T 在PFNa中高表達（高出中位數35倍），且其蛋白信號正位于PFNa投射區域。

進一步實驗顯示：敲低或突變Ca-α1T后，PFNa不再產生超極化誘發的振蕩，無論刺激來自氣流、轉向還是電流注入；同時，對后方氣流響應的次級鈣峰也顯著減弱。這表明，Ca-α1T介導的“鈣尖峰”是PFNa實現相位反轉和向量計算的關鍵機制：正是它讓神經元能在特定氣流方向下翻轉向量，完成復雜導航所需的數學運算。

圖四 PFNa通過鈉/鈣尖峰實現向量加法驅動FC3編碼氣流方向

研究人員發現，果蠅下游神經元 FC3 能對左右 PFNa 神經元的輸入進行“向量加法”：當氣流從前側吹來時，PFNa通過鈉尖峰編碼前向向量有效驅動FC3活動峰偏移；而當氣流來自后方或外側時，PFNa轉為發放鈣尖峰（依賴T型鈣通道Ca-α1T），編碼反向向量，但其對FC3的影響較弱。

然而，通過光遺傳實驗證實：人為激活PFNa（模擬同相向量）會使FC3與果蠅朝向信號（EPG）對齊；而超極化PFNa（誘發反相鈣尖峰）則使FC3穩定地與EPG相差180度且這一效應在Ca-α1T缺失果蠅中消失。這說明，鈣尖峰能驅動有效的突觸傳遞并參與向量運算，只是在自然條件下作用較弱。

綜上，PFNa利用鈉尖峰和鈣尖峰分別編碼正向與反向向量，而下游FC3能整合這兩種信號，實現類似數學向量加法的神經計算，從而精準表征氣流的外部方向。

圖五 全文摘要圖

總結

PFNa神經元像一個“風向解碼器”，能把果蠅感受到的風（從自己身體出發）和它當前朝向（在環境中的方向）結合起來，算出風在外部世界的真實來向。雖然在實驗中下游的FC3細胞還沒展現出完整的360度風向圖，但這個環路很可能在其他腦區或更自然的行為中完成這一任務，幫助果蠅利用風向找路、回家或覓食，展示了大腦如何把“我感覺到的風”變成“世界里的風向”。

文章來源

https://doi.org/10.1016/j.cell.2025.11.040

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