本文發表於《大眾科學》的前部落格網路，反映了作者的觀點，不一定代表《大眾科學》的觀點
思想的生物學基礎是什麼？大腦如何儲存記憶？諸如此類的問題已經困擾人類數千年，但答案仍然很大程度上難以捉摸。
你可能會認為不起眼的果蠅，黑腹果蠅，在這方面幾乎沒有什麼貢獻，但自 20 世紀 70 年代以來，科學家實際上一直在研究這些昆蟲中更高階大腦功能（如記憶）的神經基礎。馬丁·海森堡和西摩·本澤爾等多個實驗室的經典工作側重於研究野生型和基因突變型果蠅在簡單學習和記憶任務中的行為，最終導致發現了幾個關鍵分子和其他潛在機制。然而，由於人們無法窺視行為果蠅的大腦來竊聽活動中的神經元，因此該領域最初的形式只能在幫助解釋認知機制方面走這麼遠。
2010 年，當我在邁克爾·迪金森實驗室擔任博士後研究員時，我們開發了第一種測量行為果蠅神經元電活動的方法。約翰內斯·西利格和維韋克·賈亞拉曼也並行開發了一種類似的方法。在這些方法中，人們將果蠅粘在一個定製的板子上，以便小心地移除大腦上的角質層，並透過電極或熒光顯微鏡測量神經活動。即使果蠅被固定在原地，它仍然可以拍打翅膀進行繫留飛行，或者在氣墊球上行走，氣墊球就像腿下的球形跑步機。
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這些技術成就引起了果蠅神經生物學界的關注，但除了這個小而受人尊敬的、熱愛節肢動物的怪才群體（我很榮幸成為其中一員）之外，真的有人應該關心看到果蠅大腦的活動嗎？換句話說，這些方法是否有助於揭示超出果蠅範圍的任何普遍相關的東西？越來越多的跡象表明，答案是肯定的。
存在幾十個細胞，它們將神經纖維投射到果蠅大腦中間的甜甜圈狀結構中，每個細胞分支以填充構成甜甜圈的 16 個披薩片狀楔形區域之一。西利格和賈亞拉曼首先使用剛剛描述的新方法，透過熒光顯微鏡對行走果蠅中的這些神經元的活動進行了成像。值得注意的是，他們觀察到，當果蠅靜止不動時，這群細胞表達一個單一的“凸起”狀神經活動，該活動穩定地持續在甜甜圈周圍的一個位置，並且當果蠅向左或向右轉動時，該活動凸起像指南針指標一樣圍繞甜甜圈旋轉。
如果給果蠅一個視覺提示，表明她在漂浮球上轉動時的角航向，則凸起狀活動更新其在甜甜圈周圍的位置最準確。然而，即使在完全黑暗中，凸起狀活動仍然存在於大腦中，並且其在甜甜圈周圍的位置會跟蹤果蠅的方向（儘管不如使用視覺提示時精確）。這些結果令人信服地論證了果蠅具有內在的方向感，類似於我們自身在環境中的方向感，即使在我們閉上眼睛後仍然存在。
我實驗室的一名研究生喬納森·格林將事情向前推進了一步。他描述了一種神經迴路機制，該機制解釋了即使在完全黑暗的情況下，凸起狀活動如何圍繞甜甜圈旋轉，並由果蠅對自身感知到的轉彎速度和方向的內在感覺引導。（丹·特納-埃文斯和斯蒂芬妮·韋格納在維韋克·賈亞拉曼實驗室同時描述了一個類似的迴路。）此外，在我們最新的工作中，喬納森·格林與博士後研究員維克拉姆·維賈揚和另一名研究生彼得·穆塞爾斯·皮雷斯一起，描述了果蠅如何利用凸起狀活動來引導導航行為。
具體而言，我們表明，果蠅使用甜甜圈中凸起狀活動的位置作為當前航向的指南針式估計，將其與目標航向（果蠅希望前進的角度）進行比較，以確定轉向哪個方向，並定量地確定轉向的力度和向前走的速度。當蜜蜂、螞蟻和其他更專業的昆蟲導航員在離開蜂巢和返回蜂巢的覓食之旅中，非常有可能也在大腦中發揮著相同的基本機制。
在 20 世紀 80 年代，詹姆斯·蘭克和傑夫·陶布發現了所謂的頭部方向細胞：哺乳動物中的神經元，其生理特性與剛剛在果蠅中描述的指南針神經元驚人地相似。人類幾乎肯定也擁有頭部方向細胞。然而，在人類或其他哺乳動物中，解釋頭部方向細胞活動如何隨著轉彎而更新的神經迴路至今仍然難以捉摸，這些神經元在導航中發揮的確切功能作用也是如此。因此，除了昆蟲之外，我們在果蠅方面的工作正在奠定基礎，這可以作為分析更大的大腦（甚至我們自己的大腦）如何構建方向感並利用這種內在感覺來引導導航行為的路線圖。
除了角度方向之外，我們對如何記住 2-D 或 3-D 空間中的位置，或者我們如何執行非空間認知操作（例如，跟蹤經過的時間或預測未來事件發生的可能性）的理解仍然同樣模糊。這並不是說沒有取得任何進展。在哺乳動物大腦中發現了生理活動與許多此類過程相關的神經元，科學家甚至能夠在行為動物中人為地啟用和滅活這些神經元。然而，我們仍然沒有全面理解大腦如何產生空間、時間或價值的內在感覺，以及這種內在感覺如何指導行為。
幸運的是，果蠅似乎實現了上述認知過程的版本（以及可能的許多其他過程）。由於果蠅提供了一個小大腦以及神經科學中最先進的遺傳、解剖和生理方法，我和我所在領域的其他人認為，用於解釋此類心理過程如何實現的首批詳細神經機制將在未來幾年內在這種昆蟲中變得清晰起來。我們最近在角度航向領域取得的成功可能代表了冰山一角，它預示著果蠅如何能夠闡明許多其他認知操作的潛在機制。
總的來說，果蠅在生物學史上並非無足輕重。正是透過研究果蠅，我們首先了解到基因物理上存在於染色體上，轉錄反饋環會產生幾乎遍及地球上所有生命的晝夜節律，並且同源異型基因充當身體形態發生的總調控因子。鑑於果蠅在遺傳學、晝夜節律、發育和許多其他科學領域中發揮的基礎性作用，果蠅現在在認知神經科學中發揮類似的先鋒作用也許不足為奇。在老鼠或猴子身上可能需要數年或數十年才能完成的研究專案，在果蠅身上可能只需要幾個月就能完成。
這種差異意味著在研究果蠅時，人們可以承擔更大的風險，更輕鬆地追求看似棘手的問題，而無需將整個職業生涯押在某個特定答案被證明是正確的情況下。隨著果蠅界積累了關於果蠅如何實現其認知計算的初步答案——即使它們的形式與我們的形式相比有所減少——我們希望激發對哺乳動物大腦中類似機制的定向測試，而最初的探索性工作在哺乳動物大腦中更難進行。
在果蠅中研究神經生物學的一個特別引人入勝的方面是，有可能統一我們對基因、細胞和迴路水平的認知的理解。大多數精神疾病，如阿爾茨海默病和其他痴呆症，都是由人類和果蠅中很大程度上保守的基因中的分子異常引起的。人們已經投入大量精力來理解相關分子途徑的病理生理學，但缺乏將這些途徑的分子生物學與其在認知和行為中的正常和異常作用聯絡起來的能力。
果蠅中可用的首屈一指的分子遺傳學方法，以及成熟的神經生理學和行為學方法，有望提供更深入的見解，瞭解基因如何透過其對細胞和迴路生理學的影響來影響更高的大腦功能和行為。因此，果蠅有可能闡明我們對認知的基本理解，併為未來更合理的精神疾病藥物設計鋪平道路。
認知神經科學的新理解正在果蠅中湧現。只有時間才能證明我們最終將學到什麼程度，但這似乎表明，這種微小的昆蟲可能有助於解開大腦的一些最大謎團。敬請關注。