新的研究揭示了果蝇的大脑是如何利用少数神经元构建精确的内部罗盘，以导航其环境，从而增强了科学家对小型神经网络能力的理解。
神经科学家面临着一个重大挑战。
多年来，人们关于动物大脑如何在没有外部信号的情况下跟踪其空间位置的理论一直占主导地位——这与我们在闭眼时识别自己位置的方式类似。
这一理论借鉴了对小鼠脑部记录的研究，认为被称为环吸引子网络的神经元网络保持一个内部罗盘，以监测个体在环境中的位置。人们认为，精确的内部罗盘需要一个庞大的网络，拥有众多神经元，而一个较小的网络则会导致不准确和漂移。
然而，研究人员在微小的果蝇中发现了一个内部罗盘。
“果蝇的罗盘极为准确，但这依赖于一个极小的网络，和早先的假设相反，”Janelia的Ann Hermundstad说，她带领一个团队进行该研究。“这表明我们对大脑罗盘的理解存在明显的差距。”
现在，由Hermundstad实验室的博士后研究员Marcella Noorman主导的研究阐明了这一奥秘。新的发现揭示了如何在一个小网络中，例如果蝇的网络，创建一个高度准确的内部罗盘。
这项研究重新塑造了神经科学家对各种大脑功能（包括记忆、导航和决策）的看法。
“这真正拓宽了我们对小型神经网络能够实现的理解，”Noorman指出。“它们能够执行比之前认为的更复杂的计算。”
创建环吸引子
Noorman于2019年加入Janelia，解决了困扰Hermundstad及其他人的问题：果蝇的小脑如何生成可靠的内部罗盘？
Noorman最初的目标是证明用少量神经元创建环吸引子是不可能的；她认为成功需要额外的成分——例如不同类型的细胞和更复杂的生物物理特性。为了调查这一点，她从现有模型中去除了所有“额外成分”，以确定是否还可以用剩余的内容形成环吸引子。她预计这将证明是不可能的。
然而，Noorman发现很难确认她的假设。这时她选择了不同的策略。
“我不得不转变思维，考虑也许一个小网络*可以*生成环吸引子，”她解释说，“然后确定该网络正常运行的具体要求。”
通过改变自己的前提，Noorman发现确实可以仅用四个神经元创建环吸引子，只要它们的连接得到精确调整。她与Janelia的其他研究人员合作，实验验证了这一新理论，发现了生理证据，支持果蝇大脑能够产生环吸引子的观点。
“较小的网络和大脑可以执行远远超出我们先前认为可能的复杂计算，”Noorman坚称。“然而，达到这一点需要神经元之间的连接比大型大脑更加精确，因为在大型大脑中，许多神经元可以完成相同的计算。”
“因此，计算所用的神经元数量与它们连接的精确性之间存在权衡，”她解释说。
展望未来，研究人员计划探讨“额外成分”是否可以增强环吸引子网络的稳健性，以及基础计算是否可以作为更复杂计算的基本元素，用于具有各种变量的更大网络。进一步的实验也可以帮助研究人员理解网络中的神经连接是如何被修改的，以及感官信号可能如何影响网络对空间方向的表征。
对于Noorman而言，这位曾是数学家的神经科学家，将生物学转化为可解决的数学问题的过程既具挑战性又令人愉快。
“果蝇的头向系统是我第一次接触神经活动，这使得弄清楚和理解它是如何运作的变成了一次引人入胜的经历，”她分享道。
