本文发表于《大众科学》的前博客网络，反映了作者的观点，不一定代表《大众科学》的观点
思想的生物学基础是什么？大脑如何存储记忆？诸如此类的问题已经困扰人类数千年，但答案仍然很大程度上难以捉摸。
你可能会认为不起眼的果蝇，黑腹果蝇，在这方面几乎没有什么贡献，但自 20 世纪 70 年代以来，科学家实际上一直在研究这些昆虫中更高级大脑功能（如记忆）的神经基础。马丁·海森堡和西摩·本泽尔等多个实验室的经典工作侧重于研究野生型和基因突变型果蝇在简单学习和记忆任务中的行为，最终导致发现了几个关键分子和其他潜在机制。然而，由于人们无法窥视行为果蝇的大脑来窃听活动中的神经元，因此该领域最初的形式只能在帮助解释认知机制方面走这么远。
2010 年，当我在迈克尔·迪金森实验室担任博士后研究员时，我们开发了第一种测量行为果蝇神经元电活动的方法。约翰内斯·西利格和维韦克·贾亚拉曼也并行开发了一种类似的方法。在这些方法中，人们将果蝇粘在一个定制的板子上，以便小心地移除大脑上的角质层，并通过电极或荧光显微镜测量神经活动。即使果蝇被固定在原地，它仍然可以拍打翅膀进行系留飞行，或者在气垫球上行走，气垫球就像腿下的球形跑步机。
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这些技术成就引起了果蝇神经生物学界的关注，但除了这个小而受人尊敬的、热爱节肢动物的怪才群体（我很荣幸成为其中一员）之外，真的有人应该关心看到果蝇大脑的活动吗？换句话说，这些方法是否有助于揭示超出果蝇范围的任何普遍相关的东西？越来越多的迹象表明，答案是肯定的。
存在几十个细胞，它们将神经纤维投射到果蝇大脑中间的甜甜圈状结构中，每个细胞分支以填充构成甜甜圈的 16 个披萨片状楔形区域之一。西利格和贾亚拉曼首先使用刚刚描述的新方法，通过荧光显微镜对行走果蝇中的这些神经元的活动进行了成像。值得注意的是，他们观察到，当果蝇静止不动时，这群细胞表达一个单一的“凸起”状神经活动，该活动稳定地持续在甜甜圈周围的一个位置，并且当果蝇向左或向右转动时，该活动凸起像指南针指针一样围绕甜甜圈旋转。
如果给果蝇一个视觉提示，表明她在漂浮球上转动时的角航向，则凸起状活动更新其在甜甜圈周围的位置最准确。然而，即使在完全黑暗中，凸起状活动仍然存在于大脑中，并且其在甜甜圈周围的位置会跟踪果蝇的方向（尽管不如使用视觉提示时精确）。这些结果令人信服地论证了果蝇具有内在的方向感，类似于我们自身在环境中的方向感，即使在我们闭上眼睛后仍然存在。
我实验室的一名研究生乔纳森·格林将事情向前推进了一步。他描述了一种神经回路机制，该机制解释了即使在完全黑暗的情况下，凸起状活动如何围绕甜甜圈旋转，并由果蝇对自身感知到的转弯速度和方向的内在感觉引导。（丹·特纳-埃文斯和斯蒂芬妮·韦格纳在维韦克·贾亚拉曼实验室同时描述了一个类似的回路。）此外，在我们最新的工作中，乔纳森·格林与博士后研究员维克拉姆·维贾扬和另一名研究生彼得·穆塞尔斯·皮雷斯一起，描述了果蝇如何利用凸起状活动来引导导航行为。
具体而言，我们表明，果蝇使用甜甜圈中凸起状活动的位置作为当前航向的指南针式估计，将其与目标航向（果蝇希望前进的角度）进行比较，以确定转向哪个方向，并定量地确定转向的力度和向前走的速度。当蜜蜂、蚂蚁和其他更专业的昆虫导航员在离开蜂巢和返回蜂巢的觅食之旅中，非常有可能也在大脑中发挥着相同的基本机制。
在 20 世纪 80 年代，詹姆斯·兰克和杰夫·陶布发现了所谓的头部方向细胞：哺乳动物中的神经元，其生理特性与刚刚在果蝇中描述的指南针神经元惊人地相似。人类几乎肯定也拥有头部方向细胞。然而，在人类或其他哺乳动物中，解释头部方向细胞活动如何随着转弯而更新的神经回路至今仍然难以捉摸，这些神经元在导航中发挥的确切功能作用也是如此。因此，除了昆虫之外，我们在果蝇方面的工作正在奠定基础，这可以作为分析更大的大脑（甚至我们自己的大脑）如何构建方向感并利用这种内在感觉来引导导航行为的路线图。
除了角度方向之外，我们对如何记住 2-D 或 3-D 空间中的位置，或者我们如何执行非空间认知操作（例如，跟踪经过的时间或预测未来事件发生的可能性）的理解仍然同样模糊。这并不是说没有取得任何进展。在哺乳动物大脑中发现了生理活动与许多此类过程相关的神经元，科学家甚至能够在行为动物中人为地激活和灭活这些神经元。然而，我们仍然没有全面理解大脑如何产生空间、时间或价值的内在感觉，以及这种内在感觉如何指导行为。
幸运的是，果蝇似乎实现了上述认知过程的版本（以及可能的许多其他过程）。由于果蝇提供了一个小大脑以及神经科学中最先进的遗传、解剖和生理方法，我和我所在领域的其他人认为，用于解释此类心理过程如何实现的首批详细神经机制将在未来几年内在这种昆虫中变得清晰起来。我们最近在角度航向领域取得的成功可能代表了冰山一角，它预示着果蝇如何能够阐明许多其他认知操作的潜在机制。
总的来说，果蝇在生物学史上并非无足轻重。正是通过研究果蝇，我们首先了解到基因物理上存在于染色体上，转录反馈环会产生几乎遍及地球上所有生命的昼夜节律，并且同源异型基因充当身体形态发生的总调控因子。鉴于果蝇在遗传学、昼夜节律、发育和许多其他科学领域中发挥的基础性作用，果蝇现在在认知神经科学中发挥类似的先锋作用也许不足为奇。在老鼠或猴子身上可能需要数年或数十年才能完成的研究项目，在果蝇身上可能只需要几个月就能完成。
这种差异意味着在研究果蝇时，人们可以承担更大的风险，更轻松地追求看似棘手的问题，而无需将整个职业生涯押在某个特定答案被证明是正确的情况下。随着果蝇界积累了关于果蝇如何实现其认知计算的初步答案——即使它们的形式与我们的形式相比有所减少——我们希望激发对哺乳动物大脑中类似机制的定向测试，而最初的探索性工作在哺乳动物大脑中更难进行。
在果蝇中研究神经生物学的一个特别引人入胜的方面是，有可能统一我们对基因、细胞和回路水平的认知的理解。大多数精神疾病，如阿尔茨海默病和其他痴呆症，都是由人类和果蝇中很大程度上保守的基因中的分子异常引起的。人们已经投入大量精力来理解相关分子途径的病理生理学，但缺乏将这些途径的分子生物学与其在认知和行为中的正常和异常作用联系起来的能力。
果蝇中可用的首屈一指的分子遗传学方法，以及成熟的神经生理学和行为学方法，有望提供更深入的见解，了解基因如何通过其对细胞和回路生理学的影响来影响更高的大脑功能和行为。因此，果蝇有可能阐明我们对认知的基本理解，并为未来更合理的精神疾病药物设计铺平道路。
认知神经科学的新理解正在果蝇中涌现。只有时间才能证明我们最终将学到什么程度，但这似乎表明，这种微小的昆虫可能有助于解开大脑的一些最大谜团。敬请关注。