蒼蠅如何不撞牆?揭開牠們「視覺導航系統」的秘密
當你快速走路或奔跑時,眼前的景物會迅速移動,形成一種稱為「視覺流(optic flow)」的影像變化。如果沒有一套穩定視線與調整方向的系統,你很可能會撞上障礙物。人類與許多動物都發展出處理這些視覺訊號的神經機制,而果蠅(Drosophila melanogaster)的「導航智慧」更是超乎想像。
一篇發表於《Nature Neuroscience》的最新研究指出,果蠅大腦中存在一種特殊的「競爭性去抑制(competitive disinhibition)」神經網路,能幫助牠們在快速移動時依然準確辨認轉向訊號,進而做出精確的方向調整。這種神經迴路的設計不僅讓果蠅在混亂的視覺環境中保持穩定前進,也為開發更聰明的機器視覺系統提供了靈感。
當果蠅往前走時,兩眼所看到的視覺流會大致對稱;但若牠身體有轉向(例如向左偏),視覺流就會產生左右不對稱。大腦必須從這些變化中分辨出是「前進」還是「轉彎」,才能調整飛行或行走方向。問題是,當果蠅動作加快,前進的平移訊號會變強、蓋過原本微妙的旋轉訊號。這時,大腦該怎麼「撥雲見日」、抓出真正有用的轉向線索?
研究團隊利用電子顯微鏡重建果蠅的神經網路,並搭配雙光子顯微成像技術觀察神經活動,找出一條從視覺處理區「水平系統神經元(HS)」出發,經過多層中介,再傳遞到運動控制區「DNp15神經元」的路徑。在這條路徑中,有一群關鍵的中介神經元(如 bIPS 與 uLPTCrn),負責抑制某些輸入、放大其他訊號,最終讓下游的 DNp15 更敏感於「旋轉」而非「平移」的視覺訊號。
這個神經網路的設計關鍵在於「去抑制」:當果蠅的兩眼看到不同的視覺訊號(表示可能正在轉彎),中介層的抑制作用就會解除,讓這些不對稱訊號得以強化傳遞下去。而當視覺流是對稱的(表示只是直線前進),這些神經元則會強烈抑制輸出,避免誤判為轉向。這種「競爭性去抑制」的設計,使得大腦能根據雙眼之間的微妙差異,穩定地判斷身體的旋轉動作,即使在高速移動時也不失準確性。
研究進一步利用基因技術,分別關閉果蠅左右兩側的 DNp15 或 bIPS 神經元,發現當其中一側被關閉時,果蠅在自由行走時會持續向反方向偏移,顯示這些神經元的「不對稱活動」與轉向行為密切相關。
這項研究不僅解答了果蠅如何能在複雜環境中快速做出轉向決策,也提供了未來開發自動導航系統的重要參考。若能模仿這種神經網路設計,未來的機器人或自駕車也許能更靈巧地處理視覺訊號,避開障礙、即時調整方向,真正做到「像蒼蠅一樣靈敏」。
*使用ChatGPT 4o協助編輯文字
撰文:廖晨絜
Reference:
Erginkaya, M., Cruz, T., Brotas, M., Marques, A., Steck, K., Nern, A., Torrão, F., Varela, N., Bock, D. D., Reiser, M., & Chiappe, M. E. (2025). A competitive disinhibitory network for robust optic flow processing in Drosophila. Nature Neuroscience.
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