在一項新研究中，加州大學聖迭戈分校卡夫里大腦與思維研究所（KIBM）的研究人員發現，果蠅（Drosophila melanogaster）的認知能力比以前認為的更強。利用定製的沉浸式虛擬現實環境、神經遺傳學操作和體內實時大腦活動成像，科學家們於2022年2月16日在《自然》雜誌上提出了果蠅和哺乳動物的認知能力之間存在顯著聯繫的新證據。
他們調查的多層次方法在果蠅中發現了注意力、工作記憶和類似意識的能力，這些認知能力通常只在哺乳動物中測試。研究人員能夠觀察到它們微小的大腦中的記憶痕迹的形成、分心和最終消退。
研究的高級作者、加州大學聖迭戈分校生物科學部教授、KIBM副主任Ralph Greenspan說：“儘管缺乏明顯的解剖學上的相似性，但這項研究涉及我們的日常認知功能–我們注意什麼以及我們如何做到這一點。由於所有的大腦都是從一個共同的祖先進化而來的，我們可以根據分子特徵和我們存儲記憶的方式得出果蠅和哺乳動物大腦區域之間的對應關係。”
為了達到他們新發現的核心，研究人員創造了一個沉浸式的虛擬現實環境，通過視覺刺激來測試果蠅的行為，並將顯示的圖像與紅外線激光結合起來作為逆熱刺激。這個接近360度的全景競技場允許果蠅在被拴住的情況下自由地扇動翅膀，並且隨着虛擬現實根據它們的翅膀運動（使用高速機器視覺攝像機進行實時分析）不斷地更新，它給果蠅帶來了在世界中自由飛行的錯覺。這使研究人員有能力訓練和測試果蠅的調節任務，讓昆蟲遠離與負熱刺激相關的圖像，並轉向與熱無關的第二個圖像。
他們測試了兩種調節方式，一種是給果蠅的視覺刺激與熱刺激的時間重疊（延遲調節），兩者一起結束；另一種是跟蹤調節，在顯示和移除視覺刺激后，等待5到20秒再提供熱刺激。中間的時間被認為是”痕迹”間隔，在此期間，果蠅在其大腦中保留了視覺刺激的”痕迹”，這一特徵表明哺乳動物的注意力、工作記憶和自覺意識。
研究人員還對大腦進行了成像，利用他們在腦細胞中基因工程的熒光分子實時跟蹤鈣的活動。這使研究人員能夠記錄果蠅活體記憶的形成和持續時間，因為他們看到痕迹在果蠅的短期（工作）記憶中不斷閃爍。他們還發現，在訓練過程中引入的分心–使視覺記憶更快消退，這標誌着研究人員首次能夠證明果蠅的這種分心，並暗示了果蠅記憶形成中的注意力要求。
“這項工作不僅證明了果蠅能夠進行這種更高級形式的痕迹條件反射，而且這種學習就像在哺乳動物和人類中一樣可以分散注意力，而且果蠅的這些注意力和工作記憶過程所依據的神經活動與哺乳動物的神經活動顯示出顯著的相似性，”加州大學聖迭戈分校KIBM研究人員、這項新研究的主要作者Dhruv Grover說。“這項工作表明，果蠅可以作為研究高級認知功能的一個強大模型。簡單地說，果蠅繼續讓人驚訝於它到底有多聰明。”
科學家們還確定了果蠅大腦中記憶形成和消退的區域–一個被稱為果蠅中央複合體的橢圓體的區域，這個位置與人類大腦的大腦皮層相對應。
此外，研究小組發現，神經化學物質多巴胺是這種學習和高級認知功能所需要的。數據顯示，多巴胺反應在學習過程中越來越早地發生，最終預示着熱刺激的到來。
研究人員現在正在調查關於注意力如何在大腦中進行生理編碼的細節。Grover認為，從這個模型系統中獲得的經驗可能會直接啟發我們對人類認知策略和破壞這些策略的神經障礙的理解，但也有助於新的工程方法，使人工智能設計的性能得到突破。