那是成功的气味吗？在动荡的空气中追踪气味需要敏锐的方向感和敏捷的记忆。一只寻找腐烂水果或伴侣的果蝇通过气味进行导航，沿着气味的流向行进。在野外，动荡的空气将这些气味的流扑夹杂成混乱的破碎景观——化学丝线在干净的空气中穿插延伸。一只试图找到源头的果蝇在不断变化的方向中获取气味，偶尔卡顿，完全无法保证下一个气味是否还会出现。科学家对果蝇如何利用一个针头大小的大脑管理这种混乱的信号几乎没有了解。长期以来，生物学家一直支持“冲刺与投掷”模型，该模型假设昆虫通过内置反射进行解决。这个理论认为，当一只果蝇用触角中的嗅觉神经元感知到气味流时，它会向上风飞行，直到气味消失，然后左右飞行尝试再次捕捉气味。但现在，由洛克菲勒大学神经科学家瓦妮莎·鲁塔（Vanessa Ruta）领导的一组研究人员显示，果蝇的行为远比这先进得多。 为果蝇设计的跑步机 传统的冲刺与投掷模型的问题在于，它难以解释昆虫如何在长距离内跟踪一个曲折的气味流。自然环境中的化学线索通常稀疏且不可靠。但正是这些特征使得嗅觉导航背后的机制难以测试。“气味是看不见的，”鲁塔说，“而且它们常常被动荡的气流带走。”我们无法知道动物在瞬间所嗅到的东西。因此，鲁塔的团队设计了一个实验来研究这一点。科学家将一只果蝇（果蝇属）固定在空中漂浮的小球上，在完全黑暗的条件下进行实验。“这是一个微型的果蝇跑步机，”鲁塔解释道。当果蝇在球的表面行走时，它的转动驱动一个喷嘴，向它的触角吹送一股稳定的气流，使得昆虫始终感受到来自固定方向的风，就好像它在开阔的田野上行走一样。然后，研究人员将苹果醋引入气流中，根据果蝇在这个虚拟场地上的位置开关气味的流动。这样，研究人员可以精确控制果蝇所接收到的气味的强度和方向。“我们实际上可以生成任何种类的任意化学景观，”鲁塔说。团队能够模拟出一种逼真的嗅觉体验，包括动荡的气味流、直边走廊和气味反向梯度。“实际上这并不是一个很复杂的虚拟现实系统，但它确实非常强大，”鲁塔补充道。这一次，实验者们清楚地了解果蝇所接收的每个分子的身份和数量。他们首先测试的是冲刺与投掷模型，结果表现不佳。 边缘追踪 在大约50毫米宽的醋直走廊的实验中，随着风的流动，果蝇没有采取显而易见的中间行进方式。相反，它们紧紧贴住一个边缘，通过反复的两个步骤滑行。当一只果蝇穿过气味时，它会迅速掉头并向外移动，然后在干净的空气中回绕，最后直线返回边界。研究团队称之为边缘追踪。尽管几乎在它们向源头的每一次前进都是在气味流的短暂接触中发生的，但果蝇在气味流外徘徊的时间确实远远超过了在气味流内的时间。“果蝇会沿着气味流的边缘走几米而不进入气味流，”鲁塔说。研究人员提出的第一个解释是，果蝇正在朝着源头攀升的气味梯度而移动。但它们并没有那样做。当研究团队将梯度反转，使得醋在果蝇前进时变得越来越淡，果蝇依然能很好的追踪边缘。团队还使用了基因工程的果蝇，使得光线可以直接开启它们两个触角中的嗅觉神经元。当科学家用660纳米红光的光束替代真实气味时，这些昆虫完美地追踪了这道光的边缘。然而，真正的惊喜出现在研究团队仔细观察果蝇在没有气味指导时的表现时。 嗅觉记忆 当研究人员在果蝇在一个气味流外时让气味流消失，昆虫仍然朝着气味流边缘应该存在的地方前进，而不是随意寻找。它们朝着它们知道气味的地方移动。“看起来它们有一种存储的记忆，仍然在指引着它们朝那个方向前进，”鲁塔说。因此，团队开始寻找这些存储的嗅觉记忆。第一个候选者是一个被称为中央复合体的脑部结构，它像昆虫大脑中的导航中心。鲁塔和她的同事们利用荧光成像实时监测神经元的活动，确定了哪些神经元充当了果蝇的指南针。通过边缘追踪，