我将一只小小的果蝇的大脑与一头威严的大象的大脑进行比较似乎是荒谬的。然而，许多神经科学家的梦想是找到非常不同的大脑所共有的深层规则。正如德国法兰克福马克斯·普朗克大脑研究所(Max Planck Institute for Brain Research)的神经学家吉尔斯·劳伦特(Gilles Laurent)所做的那样。劳伦特研究过从蝗虫到乌龟等多种动物说“神经反应可以用相同的数学运算来描述……在完全不同的系统中。”霍华德休斯医学院詹妮利亚研究校区的研究员、洛朗大学的前学生维韦克·贾亚拉姆认为，神经科学家正处于识别这些深层神经规则的边缘。掌握它们将推进另一个神经科学的梦想：能够像牛顿预测运动物体的行为一样容易地预测动物的行为。
Jayaraman和一小部分研究大脑的gps事实上，你已经体验到了发现这样一条规则的激动。它支配着一些重要的东西——动物跟踪自己前进方向的能力。更重要的是，最近的果蝇实验连接到虚拟现实环境-一来自贾亚拉曼的团队另一个来自雷切尔·威尔逊(Laurent的前博士后)和他在哈佛的同事的研究，展示了果蝇的视觉线索是如何确保其航向的稳定性的。这些发现为我们了解哺乳动物如何构建它们的世界地图提供了思路。
当你自由运动时，某些神经元只在你面对特定方向时才会活跃。不管你在哪里，只要你一直朝前看，在那个方向，细胞就会发射。这些所谓的头向细胞最初是在大鼠大脑的一个区域被发现的，这个区域与海马体紧密相连，海马体是位置细胞的所在地，也是你的大脑的基础世界地图．这些细胞有很多，但任何一个细胞只在环境中的某个小区域中活跃。它们就像一张地图，告诉你你在哪里。如果不知道你要去哪里，这样的地图是没有用的。这就是为什么大脑也利用头部方向细胞创造了一个精神指南针。
科学家可以预测果蝇是认为自己在向右转还是向左转。
这两种体系的紧密合作令人吃惊。如果你旋转老鼠用来定义头部的视觉线索，那么头部方向的细胞就会重新定位到这个改变了的世界。同时，海马体的位置细胞也会旋转思维地图。这两组细胞提供互补的信息，如果正确地组合在一起，就足以帮助老鼠在环境中的任何地方导航——即使是在黑暗中。换句话说，头向细胞并不仅仅对视觉线索做出反应。即使老鼠看不见周围的环境(或者当你遮住眼睛时)，它们也会保持活动。大脑是如何建立这种稳定的类似指南针的表征的?更令人困惑的是，它如何在没有视觉线索的情况下保持稳定的航向?
在大鼠和小鼠身上的实验证据表明，头部方向细胞的甜甜圈状结构使大脑的指南针保持可靠。一个1995纸张“大鼠方向感神经基础模型”首次提出了这种甜甜圈或“环形吸引子”图片。在这项研究中，来自亚利桑那大学的William Skaggs和他的同事推测，头部方向的细胞似乎没有任何可见的特征性的群结构连接在一起，形成一个假想的环，从而产生360度的二维空间图。研究人员写道：“这项工作的目的是开发与可用数据一致的最简单的架构。”。“现实肯定比这种模式更复杂。”
每个单元格，即环上的一个点，表示一个特定的标题。这个环上的相邻细胞指的是相邻的和相似的标题，它们相互激活，而相距较远的细胞指的是相反的或接近相反的标题，它们相互激活。研究人员提出了一条规则，说明大脑视觉区域的信息如何进入头部方向细胞环，从而形成其特有的活动模式。他们还整合了大脑的前庭系统，该系统可以检测头部转向，从而使环在黑暗中保持活动。这种输入模型只允许在任何给定时间激活一小群附近的头部方向细胞。这一“撞击”的活动与老鼠的头部相对应。如果老鼠或它的世界被翻转（比如说，老鼠被翻转），那么细胞环内的连接和不断变化的视觉输入信息将导致凹凸也相应地翻转。
Skaggs和他的同事们取得了胜利，研究人员已经确定了一些似乎根据他们的数学模型运行的细胞。尽管如此，它仍有一个主要缺陷:对于大脑如何将视觉信息转化为稳定的航向感，人们知之甚少。至少就目前而言，要绘制出让大鼠看到的数百万细胞和复杂连接是如何连接到这个环的，实在是太难了。
T这就是贾亚拉曼的用武之地。果蝇的大脑中也有一个区域专门用来维持方向感。贾亚拉曼在不到十年前就和他的同事们描述了这一点。令人难以置信的是，它是一个甜甜圈形状的环，与理论环吸引子网络的结构完全相同。这一细胞环中的任何特定细胞只有在苍蝇面向特定方向时才会活跃，就像啮齿动物（以及，可能是在美国）中的头部方向细胞一样。这一发现提供了一个绝好的机会，不仅可以测试科学家为一种使用完全不同的动物的动物开发的模型，而且还可以确定各种大脑使用的共同规则。
“我们的论文提供了支持Skaggs等人提出的模型的证据，”第一作者Yvette Fisher告诉我。“尤其是这个模型要求指南针神经元的视觉输入是可以修改的。”换句话说，这两项研究确定了一种规则或机制，它决定了环内神经元与视觉输入之间的连接强度如何变化。环的视觉输入会抑制头向细胞的活动——与视觉输入神经元连接最弱的头向细胞会活跃起来。
对于神经生物学家Fisher来说，沉浸在进化思维中可能塑造了她的期望。费舍尔说:“当所需的神经回路处于类似的约束条件下时，存在共同原则并不奇怪。”“导航对所有动物都有很多大致相似的要求。”考虑到这些相似之处，研究人员发现的规则可能会启发其他人理解哺乳动物的这一过程。一般原理，比如计算航向的环吸引子模型，提供了对所有动物行为的洞察。科学家可以用它们来预测一些动物的行为，比如果蝇认为自己是在向右还是向左。
更重要的是，科学家们现在有了一个基线模型，他们可以从这个模型看到特定的动物是如何彼此偏离的。例如，陆地动物老鼠可能会用头部的二维模型，而鸟类、蝙蝠和一些昆虫会飞。虽然大多数关于苍蝇的研究都集中在会走路的苍蝇上，但最近对蝙蝠的研究发现了一张三维地图。
同样的神经算法是否能在这些动物身上从二维扩展到三维仍然是一个悬而未决的问题。可能更有趣的是一些动物是如何长距离导航的:众所周知，沙漠蚂蚁能够从几英里外找到他们的巢穴，一个三维隧道结构，许多候鸟可以年复一年地返回同一个地点。Fisher相信答案将来自于对大脑多样性的描述，并比较每种生物进化的算法。
Adithya Rajagopalan是约翰霍普金斯大学和Janelia研究校区神经科学系的一名三年级研究生。在推特上关注他@adi_e_r．
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