当果蝇锁定发酵水果的气味时，它并非简单地逆风追着鼻子走。发表在《自然》杂志上的新研究揭示，果蝇采用一种复杂的双状态导航策略，追踪气味羽流的边缘而非其中心，并在每次退出后利用方向记忆引导返回。
这一发现挑战了长期以来的假设，即矢量导航（存储和回忆目标方向的能力）需要比昆虫拥有的更大的大脑。果蝇总共只有约20万个神经元，而人类大脑有860亿个。然而，其中央复合体（仅几百微米宽的结构）却实现了研究人员此前认为哺乳动物和鸟类才拥有的计算策略。
边缘追踪，而非中心追踪
由霍华德·休斯医学研究所贾内利亚研究园区和加州理工学院的研究人员领导的团队，为在气浮球上行走的头部固定果蝇开发了一套闭环虚拟现实系统。一个喷嘴将风向与果蝇的朝向联动起来，苹果醋气味则根据果蝇在虚拟走廊中的虚拟位置注入气流。
结果出乎意料。果蝇一旦找到气味羽流后并不会停留在其内部。相反，它们平均在内部停留4.9秒后反复退出，然后执行定向且高效的返回，回到羽流边界。整体轨迹并非漫无目的的游荡，而是”离开”和”返回”两种状态之间的系统性交替，果蝇追踪着一条50毫米宽气味走廊的单一边缘。
大多数逆风进展发生在短暂的内部停留期间。当果蝇失去气味时，它不会随机游荡，而是沿着与羽流边缘方向相对应的矢量返回。研究人员通过分析进入角和退出角量化了这一点：进入和离开45度羽流的果蝇表现出非随机的角度分布，返回轨迹往往垂直于边缘。
方向记忆，而非位置记忆
为了测试果蝇存储的是位置记忆（羽流在哪里）还是方向记忆（沿哪个方向返回），研究人员进行了两项关键实验。第一项实验中，果蝇追踪45度羽流10分钟，然后气味源被完全关闭。果蝇继续朝着此前返回所用的相同方向前进，朝着羽流曾经所在的位置，尽管它已经不复存在。第二项实验中，每次果蝇退出时羽流横向移动20毫米。果蝇在下次返回时调整了轨迹，证实它们使用的是方向线索而非位置线索。
方向记忆更新迅速。单次操作性训练（仅当果蝇朝向特定返回方向时才释放气味）显著改善了对相反方向羽流的追踪。与数据最匹配的行为模型是一个双状态切换系统：每次穿越边界时，果蝇将记忆矢量更新为其先前记忆与当前朝向方向的加权组合。
神经硬件
在果蝇的中央复合体（一组作为导航枢纽的中线结构）内，研究人员识别出负责该策略各组成部分的特定神经元。椭球体中的EPG神经元维持着果蝇相对于风向的稳定朝向表征。当通过光遗传学抑制将其沉默时，果蝇失去定向返回能力，转而漫无目的地逆风游荡。
扇形体中的FC2神经元编码目标方向，即返回羽流边界的矢量。这些神经元在返回轨迹期间特异性激活，其活动模式在每次转向边界之前偏离EPG朝向信号。沉默FC2神经元产生的导航缺陷与沉默EPG神经元相同。
提出的回路模型涉及气味响应性切线神经元（携带关于羽流的感官信息）和柱状神经元（编码方向记忆）之间的可塑性突触。每次果蝇穿越羽流边界时，进入角记忆在这些突触处被存储和更新。
这对昆虫智能意味着什么
这一发现进一步印证了昆虫大脑并非简单反射系统的日益增长的认知。中央复合体已知能够编码朝向方向并支持导航蚂蚁和蜜蜂的路径整合，现在似乎还能支持嗅觉搜索的矢量目标记忆。相同的保守神经工具包（朝向方向、目标方向和状态切换）在不同昆虫物种中服务于不同的导航任务。
研究人员指出，在自然环境中，该策略对靠近源头、存在锐利边界的连贯气味羽流效果最佳。在由不连续细丝组成的下风湍流羽流中，边界信息可靠性较低，记忆优势减弱。果蝇很可能根据所遇到羽流的结构，在反射性趋风性（响应风向逆风移动）和基于矢量的边缘追踪之间切换。
对于机器人学和人工嗅觉领域，该策略提供了一个计算高效的模板。具有方向记忆的双状态系统无需浓度梯度图即可定位化学源，而在湍流环境中浓度梯度图往往不可用。果蝇对羽流追踪问题的解决方案并非如预期般简单，而是更加优雅。
参考文献: Siliciano, A.F., Minni, S., Morton, C. et al. Nature (2026). DOI: 10.1038/s41586-026-10827-7
婷 翻译