为了在复杂的世界中准确导航，动物必须不断学习、记忆并更新其身体位置与周围视觉环境的关系。一项最新研究在果蝇中揭示了负责这一过程的神经回路机制，并颠覆了长期以来认为此类学习依赖多巴胺的普遍假设。

斯坦福大学神经生物学教授丽莎·焦科莫（Lisa Giocomo）评价这项研究“解决了如何学习世界地标这一长期存在的问题”。她补充说：“在过去十年中，关于大脑如何生成导航系统算法的一些最深刻见解都来自于果蝇（Drosophila）。这个系统所能实现的一切令人惊叹。”

根据这项于2025年12月作为预印本发布，并于2026年5月在简·科芬·柴尔德斯研讨会（Jane Coffin Childs Symposium）上展示的研究，当果蝇内部指南针中的神经元与响应视觉地标的细胞同时激活时，一种名为EL神经元的第三类细胞会向视觉输入释放神经调质章鱼胺（octopamine）。章鱼胺作为一种信号，能够修饰指南针细胞与视觉细胞之间的连接，从而将果蝇的方向感锚定到视觉线索上。

研究人员指出，据他们所知，果蝇用于更新其内部指南针的这种回路机制与此前描述的任何机制都不同。隆德大学感觉生物学高级讲师斯坦利·海因策（Stanley Heinze）评论道：“这基本上是一种全新的学习机制。”

此前的研究表明，关于这些地标的信息通过视觉神经元到达指南针，这些视觉神经元在头部方向细胞上形成抑制性突触，其强度会随着经验而增强或减弱。理论建模实验预测，该回路通过巧合检测（coincidence detection）实现这些变化，即两个神经元的并发活动导致它们之间的连接发生改变。

然而，加州大学伯克利分校伊薇特·费舍尔（Yvette Fisher）实验室的博士后研究员、该研究的调查员马克·普利特（Mark Plitt）表示，一个抑制性突触（它抑制而非兴奋其目标）如何能够记录两个细胞同时放电，这曾是“令人困惑”的问题。他说：“目前已知的机制并不多。”由于这些突触是抑制性的，该回路需要与传统赫布“共同放电，共同连接”（fire together, wire together）学习相反的机制：当细胞同时放电时，连接反而必须减弱。

在哺乳动物中，抑制性突触可以通过逆行信号（如内源性大麻素）改变强度。但果蝇缺乏内源性大麻素。因此，普利特及其同事分析了现有的果蝇连接组（fly connectome），以确定EL神经元作为候选者，能够将来自头部方向细胞的信息反馈给携带视觉信息的神经元。

研究团队记录了头部固定果蝇在球形跑步机上行走时头部方向细胞和EL神经元的活动。光学摄像头追踪跑步机的运动，以调整显示特定重复视觉地标的虚拟现实场景。

研究显示，随着果蝇的每一次转弯，头部方向细胞都会激活并将这些信号传递给EL神经元。通过光遗传学方法沉默EL神经元，或通过基因手段破坏其产生章鱼胺的能力，都会阻止该回路发生可塑性变化并准确追踪果蝇的方向；此时头部方向细胞的活动类似于没有视觉线索时的回路活动。EL神经元直接接收来自指南针细胞的输入，携带其活动的副本，并以章鱼胺的形式将其传递给视觉输入。

研究还表明，即使没有头部方向细胞的活动，单独对EL神经元和视觉神经元进行光遗传学刺激，也能在该回路中产生可塑性变化，削弱头部方向细胞与携带视觉信息细胞之间的突触。

研究人员表示，此前从未描述过使用神经调质在抑制性突触上进行巧合检测的机制。多巴胺也对视觉-指南针回路的可塑性有影响，但尚不清楚它是否像章鱼胺那样，在驱动特定突触的可塑性变化中发挥直接作用。

加州大学圣巴巴拉分校分子、细胞和发育生物学副教授金成洙（Sung Soo Kim）表示：“我对这个结果感到非常兴奋，因为它展示了我们计算模型所预测的分子机制，这非常罕见。”他虽然没有参与这项工作，但此前曾于2024年发表过关于果蝇视觉指南针回路的模型。

焦科莫指出，哺乳动物的头部方向系统比果蝇的复杂得多，分布也更广泛，且章鱼胺仅以微量存在。但她认为：“从机制和算法上讲，哺乳动物大脑中的某个地方很可能也使用这种类型的抑制性可塑性。”

斑马鱼也使用类似指南针的头部方向系统。早期基于哺乳动物数据建立的头部方向系统模型预测了许多后来在果蝇中发现的特征，包括地标漂移校正（landmark-drift correction）。她补充说，对果蝇头部方向系统的研究“提供了最有力的证据，证明这些是进化上保守的算法，用于大脑解决诸如头部方向等问题。”

加州大学伯克利分校神经科学助理教授费舍尔表示，章鱼胺等单胺类物质主要与基于奖励的学习相关，但它们也越来越多地与无监督学习（unsupervised learning）相关联。她希望“该领域的所有人都能继续寻找单胺类物质在各种学习中的作用。我希望这能激励人们在皮层中寻找类似的模式。”