果蠅對風向的導航能力

我們都知道，我們看到一個物體時，即使閉上眼睛，當身體旋轉一個角度，雖然無法得到任何視覺信息，我們依然可以大概的知道這個物體的位置。這說明在我們大腦中有類似於指南針一樣的腦區指引我們方向。而這樣類似的腦區在果蠅當中也同樣存在，此結論已經得到眾多研究的證明。然而，對於看不見的物體，比如說，風的方向和大小，果蠅是如何感受到的呢？日前，Okubo等人發表在《Neuron》上的一篇研究性文章，就詳細的探討了風在果蠅大腦當中是如何定位的。

在果蠅當中有一個橢球體（ellipsoid body）的腦區，此腦區形狀像一個“甜甜圈”一般，並且由大小不同的多個環狀區域所構成。當果蠅意識到外部物體的方向時，此腦區的相應角度就會產生明顯的神經活性，這就相當於在果蠅大腦中對此物體具有指向的作用。當果蠅身體旋轉某個角度時，此腦區神經活性區域也會相應的旋轉某個角度，不管果蠅身體如何移動，都會給予果蠅正確的導航信息。研究者在此前人的基礎上，給予固定了身體的果蠅以不同角度的風，結果顯示，當沒有風吹向果蠅時，橢球體當中的神經活性區域是隨機出現的，而當固定方向的風吹向果蠅時，橢球體當中的神經活性區域出現在固定的區域。顯示橢球體對於果蠅風向同樣具有導航能力。進一步的，當風向變化時，此活性區域也同樣產生變化。研究者進一步的研究發現，此導航能力主要與橢球體中的R1環狀神經元和R3a環狀神經元的功能緊密相關。接下來，研究者分析了當果蠅接受來自側向來風、逆風或身體同側的風時，R1和R3a神經元當激發率（firing rate）的差異，研究表明，當接受側向來風時，果蠅的firing rate明顯更高，且R1比R3a更加敏感。

最後，研究者繼續研究此信號是如何通過外部傳入橢球體的，研究者發現此功能與果蠅觸鬚（antanna）的擺動有直接關係，觸鬚相當於“天線”的功能，果蠅依靠觸鬚感受到風的方向和風力的大小，並且依靠兩根觸鬚的向左或向右搖擺感受風向，以及搖擺角度大小感受風力的大小，進而產生電信號，並且將此信號傳向觸角機械感覺和運動中樞的區域，進一步傳至側向輔助葉（lateral accessory lobe），最終傳至果蠅橢球體，從而使果蠅具有導航能力。

綜上所述，此研究更好的完善了前人對於果蠅導航能力的研究，並且說明了果蠅橢球體對於外部信息的接收存在不止視覺通路一種方式，感覺通道同樣可以引起橢球體firing rate的變化從而使果蠅產生定位。同時也說明了，果蠅橢球體當中不同環狀結構具有較為明確的分工，不同的環狀結構具有的功能不盡相同。


撰稿人：韓睿


原始論文：
Okubo, T. S., Patella, P., D’Alessandro, I., & Wilson, R. I. (2020). A Neural Network for Wind-Guided Compass Navigation. Neuron.
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0896627320304761#mmc1