果蠅雖小，卻能完成復(fù)雜的導(dǎo)航任務(wù)，比如記住食物位置后原路返回。科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，這背后依賴于大腦中一種類似“內(nèi)部指南針”的神經(jīng)環(huán)路。

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

研究人員發(fā)現(xiàn)，果蠅大腦中一類特殊神經(jīng)元通過“切換信號模式”來實現(xiàn)向量反轉(zhuǎn)，當它們從常規(guī)的鈉尖峰轉(zhuǎn)為由T型鈣通道（Ca-α1T）介導(dǎo)的超極化誘發(fā)鈣尖峰時，就能將內(nèi)部導(dǎo)航向量精確翻轉(zhuǎn)180度。這種機制讓神經(jīng)環(huán)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(huán)路（向量計算）如何協(xié)同工作，讓大腦完成類似數(shù)學(xué)運算的復(fù)雜任務(wù)。

圖一 鈣尖峰驅(qū)動果蠅腦中的向量反轉(zhuǎn)

果蠅雖然只有微小的大腦，卻能像擁有“內(nèi)置導(dǎo)航儀”一樣，在環(huán)境中精準定向、逆風(fēng)飛行甚至原路返回。這一切依賴于其中樞腦區(qū)：中央復(fù)合體中一套精巧的神經(jīng)編碼系統(tǒng)。

這套系統(tǒng)的核心是EPG神經(jīng)元，它們在橢球體中形成一個會隨果蠅轉(zhuǎn)向而旋轉(zhuǎn)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(jīng)元并不簡單復(fù)制這個方向，而是把EPG信號轉(zhuǎn)換成一種類似“數(shù)學(xué)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(cè)的PFN向量分別被“扭轉(zhuǎn)”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(tǒng)必須具備“向量反轉(zhuǎn)”能力，也就是讓某個向量從“向前”變成“向后”。作者發(fā)現(xiàn)，這種反轉(zhuǎn)并非靠改變連接，而是通過一種特殊的電活動機制：PFN神經(jīng)元在特定條件下會從常規(guī)的鈉尖峰切換為由T型鈣通道觸發(fā)的鈣尖峰。這種鈣尖峰會導(dǎo)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(zhuǎn)。

這一機制使得果蠅能在原本無法表示的方向上進行導(dǎo)航計算，比如感知風(fēng)向反轉(zhuǎn)或規(guī)劃返程路徑。

圖二 PFNa神經(jīng)元通過相位反轉(zhuǎn)編碼氣流方向

研究人員發(fā)現(xiàn)，果蠅中一類名為 PFNa 的神經(jīng)元能根據(jù)氣流方向動態(tài)調(diào)整其編碼方式：當風(fēng)吹來時，它們在腦內(nèi)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(zhuǎn)180度。例如，前方或后方來風(fēng)時，左右兩側(cè)PFNa同時與朝向信號同相或反相；而側(cè)向來風(fēng)時，僅對側(cè)PFNa發(fā)生反轉(zhuǎn)。

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(zhuǎn)方向，完整編碼360度范圍內(nèi)的氣流方向。同時，在接收PFNa投射的結(jié)節(jié)區(qū)域，鈣信號也呈現(xiàn)出預(yù)測中的雙峰響應(yīng)。對應(yīng)向量正負方向的最大激活，進一步支持了“向量反轉(zhuǎn)”模型。

有趣的是，提供氣流輸入的上游神經(jīng)元LNOa只有單峰響應(yīng)，說明雙峰調(diào)諧和相位反轉(zhuǎn)是PFNa自身計算的結(jié)果。后續(xù)電生理實驗揭示，這一能力依賴于一種特殊的超極化誘發(fā)的鈣尖峰，為向量數(shù)學(xué)如何在真實神經(jīng)環(huán)路中實現(xiàn)提供了關(guān)鍵機制解釋。

圖三 T型鈣通道驅(qū)動PFNa神經(jīng)元的向量反轉(zhuǎn)

為探究PFNa神經(jīng)元在結(jié)節(jié)中出現(xiàn)的第二個鈣峰來源，研究人員發(fā)現(xiàn)：人為超極化PFNa細胞能穩(wěn)定誘發(fā)膜電位振蕩，提示這是其內(nèi)在電特性。這種振蕩類似哺乳動物丘腦神經(jīng)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(shù)35倍），且其蛋白信號正位于PFNa投射區(qū)域。

進一步實驗顯示：敲低或突變Ca-α1T后，PFNa不再產(chǎn)生超極化誘發(fā)的振蕩，無論刺激來自氣流、轉(zhuǎn)向還是電流注入；同時，對后方氣流響應(yīng)的次級鈣峰也顯著減弱。這表明，Ca-α1T介導(dǎo)的“鈣尖峰”是PFNa實現(xiàn)相位反轉(zhuǎn)和向量計算的關(guān)鍵機制：正是它讓神經(jīng)元能在特定氣流方向下翻轉(zhuǎn)向量，完成復(fù)雜導(dǎo)航所需的數(shù)學(xué)運算。

圖四 PFNa通過鈉/鈣尖峰實現(xiàn)向量加法驅(qū)動FC3編碼氣流方向

研究人員發(fā)現(xiàn)，果蠅下游神經(jīng)元 FC3 能對左右 PFNa 神經(jīng)元的輸入進行“向量加法”：當氣流從前側(cè)吹來時，PFNa通過鈉尖峰編碼前向向量有效驅(qū)動FC3活動峰偏移；而當氣流來自后方或外側(cè)時，PFNa轉(zhuǎn)為發(fā)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(fā)反相鈣尖峰）則使FC3穩(wěn)定地與EPG相差180度且這一效應(yīng)在Ca-α1T缺失果蠅中消失。這說明，鈣尖峰能驅(qū)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(xiàn)類似數(shù)學(xué)向量加法的神經(jīng)計算，從而精準表征氣流的外部方向。

圖五 全文摘要圖

總結(jié)

PFNa神經(jīng)元像一個“風(fēng)向解碼器”，能把果蠅感受到的風(fēng)（從自己身體出發(fā)）和它當前朝向（在環(huán)境中的方向）結(jié)合起來，算出風(fēng)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(xiàn)出完整的360度風(fēng)向圖，但這個環(huán)路很可能在其他腦區(qū)或更自然的行為中完成這一任務(wù)，幫助果蠅利用風(fēng)向找路、回家或覓食，展示了大腦如何把“我感覺到的風(fēng)”變成“世界里的風(fēng)向”。

文章來源

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

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