航行並不總是按計劃進行–當強大的逆風把蒼蠅甩向後方、無視它們向前拍打的翅膀，這是它們們的慘痛教訓。逆流而上的魚、側身而行的螃蟹甚至人類在向右看的同時向左看都要面對類似的挑戰。當頭部指向一個方向而身體向另一個方向移動時，大腦如何計算動物的行進方向是神經科學中的一個謎。
現在，一項新研究在解開這個謎團方面取得了重大進展，它報告稱，蒼蠅的大腦有一組神經元，它可以發出身體行進方向的信號，而不管頭部指向哪個方向。發表在《自然》上的這一發現還詳細描述了蒼蠅的大腦如何從更基本的感官輸入中計算出這一信號。
來自洛克菲勒大學神經科學家Gaby Maimon指出：“這些神經元不僅為蒼蠅的旅行方向提供信號，而且還在一個以世界為中心的參考框架中這樣做。”論文的第一作者Cheng Lyu補充成，引人注目的是，這些昆蟲正在將身體參考的感覺輸入轉化為世界參考的信號，這使得蒼蠅知道它正在行進，比如向太陽的右邊或向北飛行90度。
找到自己的位置
即使我們閉上眼睛，我們通常也會對我們在一個房間里的位置和我們所面對的方向保持一個很好的概念。這是因為，即使在黑暗中，我們的大腦也會對我們在空間中的位置構建一個內部理解。在20世紀80年代，科學家們發現一組被稱為頭部方向細胞的細胞在讓我們知道我們的角度方向方面起着關鍵作用，後來科學家發現蒼蠅也有類似功能的細胞。這些細胞的活動表明頭部所指向的角度，類似於羅盤針在環境中指示人的方向。
只要我們在行走或蒼蠅在飛翔時跟頭部指向的方向一致，一切都會表現得很好。頭部方向的細胞可以被用來更新一個人要去哪裡的內部感覺。但如果我們在朝東走的時候向北走或如果一隻蒼蠅試圖向前飛行而風把它往後推，頭部方向細胞就會指向錯誤的方向。不過這個系統仍在工作。蒼蠅相對來說不會受到風流的干擾，而人類在轉動身體欣賞風景時也不會迷路。Lyu和Maimon想要知道蒼蠅是如何知道它們要去哪裡的，即使它們的頭部方向細胞似乎在傳遞不準確的信息。
為了回答這個問題，Lyu把果蠅粘在了只固定昆蟲頭部的微型背帶上，這使得他能夠記錄下果蠅的大腦活動並與此同時能讓果蠅自由地扇動翅膀以在一個虛擬環境中引導它們的身體。該裝置包含了幾個視覺線索以使果蠅能感覺到它被向後或向側面吹。
正如預期的那樣，頭部方向細胞始終指示蒼蠅對太陽–由亮光模擬–的方向，跟較暗的點的運動無關。此外，研究人員還發現了一組新的細胞，它們用於指示蒼蠅的行進方向，而不僅僅是其頭部所指向的方向。比如如果蒼蠅直接面向東方的太陽，同時被吹向後方，那麼這些細胞會表明蒼蠅（實際上）正在向西行進。Maimon指出：“這是已知的第一組細胞，用於指示動物在以世界為中心的參考框架中的運動方向。 ”
心智數學
但研究小組也想知道蒼蠅的大腦如何在細胞水平上計算動物的旅行方向。通過跟哥倫比亞大學祖克曼研究所的理論家Larry Abbott的合作，Lyu和Maimon能夠證明，蒼蠅的大腦從事着一種數學練習。
一位物理學學生在繪製一個物體的軌跡時會把軌跡分成運動的組成部分，它們沿着X軸和Y軸繪製。同樣，在蒼蠅的大腦中，四類對視覺運動敏感的神經元將蒼蠅的行進方向表示為沿四條軸的組成部分。每個神經元類別可以被認為是代表一個數學矢量。矢量的角度指向其相關軸的方向，矢量的長度表示蒼蠅沿該方向移動的速度。“令人驚訝的是，蒼蠅大腦中的一個神經迴路旋轉這四個矢量，使它們跟太陽的角度正確對齊，然後將它們相加，得到的結果是一個輸出矢量，參考太陽，它指向蒼蠅行進的方向，”Maimon說道。
矢量數學不僅僅是對正在發生的計算的一種比喻。相反，蒼蠅的大腦似乎真的在進行矢量運算。在這個電路中，神經元群明確地將矢量表示為活動的波，波的位置代表矢量的角度，波的高度代表其長度。研究人員甚至通過精確操縱四個輸入矢量的長度來測試這個想法並顯示輸出矢量的變化就像蒼蠅在字面上加起來的矢量那樣。
Maimon表示：“我們提出了一個強有力的論點，即這裡發生的是大腦中矢量數學的明確實現。這項研究的獨特之處在於，我們用廣泛的證據表明，神經元電路是如何實現相對複雜的數學運算的。”
了解空間認知
目前的研究弄清了蒼蠅如何在當下弄清它們要去的方向。未來的研究將考察這些昆蟲如何隨着時間的推移跟蹤它們的行進方向以了解它們最終的目的地。“一個核心問題是大腦如何整合跟動物的行進方向和速度有關的信號以形成記憶。研究人員可以把我們的發現作為一個平台以研究工作記憶在大腦中是什麼樣子，”Lyu說道。
這些發現可能對人類疾病也有影響。因為空間混亂往往是阿爾茨海默病的早期跡象，許多神經科學家對了解大腦如何構建內部空間感感興趣。Maimon表示：“擁有微小大腦的昆蟲對其行進方向有明確的認識，這一事實應迫使研究人員在哺乳動物的大腦中尋找類似的信號和類似的定量操作。 這樣的發現可能為阿爾茨海默病及其他困擾空間認知的神經系統疾病的功能障礙提供信息。””