果蝇竟自带GPS?北大校友首次发现果蝇导航信号

果蝇竟自带GPS?北大校友首次发现果蝇导航信号

　　体长不到 4 毫米的小小果蝇，竟然也“自带 GPS”？

　　日前，科学家第一次准确展示了果蝇大脑无时无刻不在计算自身的运动方向。相关论文以《大脑通过向量运算构建自身在空间中的运动方向》（Building an allocentric travelling direction signal via vector computation）为题发表在 Nature 上。

　　图 | 相关论文（来源：Nature）

　　洛克菲勒系统神经学博士、斯坦福大学生物学博士后研究院吕程，担任第一作者。基于这一成果，吕程也获得了在斯坦福大学骆利群院士团队从事博后研究的机会。结束博后研究，他将回国寻找教职。

　　图 | 吕程（来源：吕程）

　　或许你也有这样的感受，即使闭上眼睛，通常也可很好地感知在房间里的位置、以及面对的方向。即使在黑暗中，大脑也会试图构建我们在空间里的位置。那么大脑是如何构建、并记录我们在环境中的相对位置呢？

　　20 世纪 80 年代，科学家们在老鼠中发现了一组神经，它能感知老鼠头部在空间中的方向。包含有类似信号的神经，陆续在其它动物中被发现，其中包括人类和果蝇。这一神经信号可以像指南针一样，时刻告诉生物在环境中面朝的方向。

　　然而，当我们的运动方向与头部方向不一致时，例如面朝东向北走，或者当果蝇试图向前飞行但是风把它向后刮时，记录头部方向的神经则会给出不适合的信息。

　　吕程想知道的是，大脑如何解决这一难题？以至于能让我们在施展灵活运动的同时，还能准确更新自己在环境中的位置？

　　为回答这个问题，他将果蝇固定在自制的微型装置上，使得果蝇在虚拟环境中运动时，自己能够同时记录果蝇脑部神经的活性。

　　（来源：Nature）

　　虚拟环境包含两个视觉信息：一个是根据果蝇的运动可以横向移动的明亮斑点，用来代表环境中的标志物，比如太阳；另一个是一系列灰暗的斑点，通过有规律的移动这些暗斑点，即可模拟果蝇相对自身朝不同的方向运动，比如向侧面或是向后运动。

　　正如预期的那样，之前发现的指向头部方向的神经，在该实验条件下始终指示果蝇相对明亮斑点（太阳）的角度。此外，吕程还发现了一组新的神经，这些神经的活性指示果蝇的行进方向，而非它们头部指向的方向。

　　例如，当通过视觉信息模拟果蝇在向前运动时，运动方向神经和头部方向神经的信号指向同一方向；而当模拟果蝇向后运动时，运动方向神经信号会偏离头部方向神经信号大约 180˚。据悉，这是在所有生物物种中发现的第一组神经，可以明确指示动物在以世界为中心的参考框架中的移动方向。

　　（来源：Nature）

　　那么果蝇的大脑是如何构建这个神经信号的呢？通过巧妙和严谨的实验，吕程和其导师加比·迈蒙（Gaby Maimon）、以及哥伦比亚大学 Zuckerman 研究所的理论神经学家拉里·阿博特（Larry Abbott）合作，证明果蝇的大脑使用了一个我们在初高中学到的的数学知识“向量计算”来计算自身运动方向。

　　之前的研究发现，果蝇可以感知自身在四个方向（右前、右后、左前、左后）的运动速度。如果某一时刻果蝇的头部朝向为北，果蝇相对自身运动方向为正右前方，那么通过角度加减就可得到果蝇在空间中的运动方向为东北方向。但是如果相对自身的运动神经信号为右前 20cm/s 并且左前 45cm/s，那么计算运动方向就去要运用到向量加减了。

　　对于导航来说，向量是传达方向和速度的便捷方式。向量是一个有方向和长度的量，一个向量的方向可以表示动物运动的方向，而向量的长度可以表示运动的速度。

　　前面说到，果蝇可以感知自身在四个方向的运动速度，这也等于说果蝇的感觉神经，可将代表自己的运动方向和速度的总向量投影到这四个方向，得到四个分向量。反过来，果蝇也可以将这四个分向量相加，从而得到包含自身运动方向的总向量。吕程和他的合作者们发现，果蝇的大脑确实是这样做的。

　　如何用神经来表示二维向量以及向量加减呢？这篇论文证明了果蝇大脑很巧妙地使用了二维向量与正弦波的对应关系：向量方向对应正弦波的相；向量长度对应正弦波的幅度；两个向量的相加，对应相应的两个正弦波的数值相加。

　　（来源：Nature）

　　那么，如何用一组神经来表示一个二维向量呢？果蝇大脑内的很多神经都有着严格且规则的解剖规律。其中有四组神经，每组内的每一根神经都在大脑中线性排列着。

　　通过实验，吕程发现如果以每一根神经的输出端在大脑中的位置作为 x 轴，以每一根神经的活性大小作为 y 轴作图，得到的数学图案与一根正弦波极其吻合。

　　（来源：Nature）

　　“如果这四组神经正好对应着四个分向量该有多好啊，”这是吕程和他的合作者们在刚形成这个模型时的感慨。

　　通过严谨的实验证明，他们最终证明情况确实如此：每一组神经的活性对应的正弦波的相和振幅，都会随着果蝇运动方向的改变而改变。

　　为进一步的测试这一模型，吕程甚至通过实验精确的操纵四个输入向量的长度，并同时测量记录运动方向的神经信号。其中一个实验是将代表向后运动的两组神经的活性有规律的调高，用来在果蝇的大脑中模拟其向后运动。

　　实验结果表明记录运动方向的神经信号会发生相应的 180˚ 的改变。“这个时候至少果蝇的一部分大脑会觉得它在向相反的方向运动”，吕程说。

　　“当动物在空间中运动时，一个根本性的问题是如何更新并记录自身在空间中的位置，”吕程说，“日后其他研究人员可以利用我们的发现作为研究大脑中工作记忆的平台。”

　　“博士前四年不确定这个信号是否存在”

　　信号虽小，但发现过程却比较漫长，吕程前四年都未能发现，但一直在做相关研究，事后证明这也为信号的最终发现打下了基础。直到博士第四年年末，他突发奇想做了一个实验，然后发现了这个信号。

　　再后来，他迅速把这个神经网络描述清楚，找到了所有涉及的元件，并且和前文的拉瑞合作，将这个复杂的神经网络计算简化成向量运算，并对其中很多关键的细节做了严谨的测试。

　　从信号发现、到找齐其中的神经元件，大概耗时不到半年，最后又花了一年时间来建模和测试模型。

　　审稿人的评价主要有两点：

　　第一点是发现了果蝇在空间中如何定位。吕程发现的信号，一直是很多实验模型都反复提到的一个信号，但是此前始终没有实验上发现。而本次是第一次发现，该信号的发现证实了很多实验模型，不仅为果蝇的大脑，也为很多哺乳动物的更复杂的大脑的研究起到了启发作用。

　　第二点在于吕程做了严谨证明，说明神经网络是在做向量运算，而这也是第一次。很多认知过程，都可用线性代数的语言来描述，向量运算是线性代数最基本的一个操作，因此这对以后和向量运算相关的一系列研究都会有启发作用。

　　或可帮助了解阿尔兹海默症发病机制

　　该研究非常基础，目前无直接应用。但是对于了解更复杂的大脑的一个认知过程，有着非常直接的帮助，比如可有助于阿尔兹海默症的研究。

　　阿尔兹海默症最早期的一个症状是患者在空间认知上产生紊乱，通过仔细研究大脑如何重构人们在空间中的位置，也许可帮助了解阿尔兹海默症的机制，或者对其治疗能够提供更多可能。

　　目前的研究，阐明了果蝇如何计算它们当下的运动方向。未来，该课题组将聚焦这些昆虫如何随着时间的推移累计它们的运动，进而计算出最终运动距离和方向。关于这一部分的延续性研究，将在吕程博导的课题组、及其他课题组继续下去。

　　目前，吕程在斯坦福大学骆利群课题组的研究方向，和之前有着较大跨度，但也并非毫无关系。神经解剖学是脑科学的重要组成部分，是研究脑的形态、结构的一门科学，是构成脑科学的核心。未来他在骆利群团队会继续研究果蝇的神经发育，不过也将试图发现一些很重要的解剖学规律，并探索这些规律怎么在发育中形成。

　　正因为吕程发现了上述信号，也发现了一些认知功能，这时他想去探索相关发育过程。而在该领域内，骆利群小组堪称世界顶级团队，所以他当时就给后者写邮件，一切都很顺利，从申请到确定录用，前后仅花费一个月。

　　物理竞赛保送北大(专题)，因兴趣转学生物

　　吕程是河南郑州人，生于 1990 年。在高中以及本科时都是物理背景，高中参加过中国奥林匹克物理竞赛，得了一等奖。本科被保送至北大物理学院，期间他对于用定量模型来描述生物非常感兴趣。所以就转变方向，在李方廷教授和李铁军教授的指导下去研究理论生物，比如用数学模型探索生物系统。

　　在北大完成硕士学位后，他觉得理论模型对于生物的了解和帮助十分有限，所以想在理论模型的指导下，做一些具体的生物实验。后来，来到洛克菲勒大学，做了此次信号发现的工作。

　　对于未来，他说：“倾向于回国发展，大概主要有三个原因：第一是通过对中国文化和美国文化的比较后发现，我对中国文化有更强烈的认同感；第二个是中国的科研环境也越来越好，回国对我来说是一个非常好的机会；第三个是因为父母都在中国。意向的单位为浙江、上海、北京等一些高校和科研单位。