新研究解释了苍蝇大脑如何仅使用几个神经元就创建一个精确的内部指南针来追踪它在世界上的位置，从而扩展了科学家对小型网络功能的认识。
神经科学家遇到了一个问题。
几十年来，研究人员一直有一个理论，关于动物的大脑如何在没有外界线索的情况下追踪自己相对于周围环境的位置——就像我们如何知道自己在哪里，即使闭上眼睛。
根据基于啮齿类动物大脑记录的理论，称为环状吸引子网络的神经元网络维持着一个内部指南针，可以追踪你在世界上的位置。一个准确的内部指南针被认为需要一个拥有许多神经元的大型网络，而一个只有少数神经元的小型网络会导致指南针的指针漂移，从而产生误差。
随后，研究人员在小果蝇体内发现了一个内部指南针。
Janelia 小组组长 Ann Hermundstad 表示：“苍蝇的大脑指南针非常精确，但它是由一个非常小的网络构建的，这与之前的理论假设相反。因此，我们对大脑指南针的理解显然存在差距。”
现在，由霍华德休斯医学研究所珍妮莉亚研究园区赫蒙斯塔德实验室的博士后马塞拉·诺曼领导的研究解释了这一难题。新理论表明，如何用一个非常小的网络创造出一个完全准确的内部指南针，就像果蝇一样。
这项研究改变了神经科学家对大脑如何执行多项任务（从工作记忆到导航到决策）的看法。
“这确实拓展了我们对小型网络功能的认识，”诺曼说。“它们实际上可以进行比以前所知更复杂的计算。”
产生环吸引子
当诺曼于 2019 年抵达珍妮莉亚研究所时，她面临着赫蒙德斯塔德和其他人一直困惑的问题：果蝇的小脑袋如何产生精确的内部指南针？
诺曼首先着手证明，用小型神经元网络无法生成环形吸引子，需要添加“额外的东西”——比如其他细胞类型和细胞更详细的生物物理特性——才能使其发挥作用。为此，她从现有模型中剥离了所有“额外的东西”，看看能否用剩下的东西生成环形吸引子。她认为这是不可能的。
但诺曼很难证明她的假设。正是那时，她决定采用不同的方法。
“我必须转变思维，思考一下，也许是因为你可以用一个小的网络生成一个环吸引子，”她说，“然后弄清楚网络必须满足哪些具体条件才能实现这一点。”
通过改变假设，诺曼发现，事实上，只要仔细调整神经元之间的连接，就有可能产生一个环形吸引子，而且只需四个神经元。诺曼与 Janelia 的其他研究人员合作，在实验室中测试了这一新理论，找到了苍蝇大脑可以产生环形吸引子的生理证据。
“较小的网络和较小的大脑可以执行比我们之前想象的更复杂的计算，”诺曼说。“但要做到这一点，神经元的连接必须比较大的大脑更精确，因为在较大的大脑中，你可以使用大量的神经元来执行相同的计算。”
“因此，在进行计算时使用的神经元数量与连接这些神经元的仔细程度之间存在一个权衡，”她说。
接下来，研究人员计划探索这些“额外的东西”是否能为环形吸引子网络提供额外的稳定性，以及基础计算是否可以作为具有多个变量的大型网络中更复杂计算的构建块。额外的实验还可以帮助研究人员了解网络中神经元之间的连接是如何调整的，以及感官线索如何影响网络对头部方向的表示。
对于从数学家转型为神经科学家的诺曼来说，弄清楚如何将生物学转化为可以解决的数学问题是一项挑战，但很有趣。
她说：“苍蝇的头部方向系统是我见过的第一个神经活动的例子，因此弄清楚并理解它的工作原理很有趣。
