“城市果蝇”和“沙漠果蝇”的视觉导航策略因环境而异

关键点

• 果蝇利用视觉去寻找有趣的东西，但也能在飞行中保持稳定。要做到这一点，眼睛需要盯着视觉背景，同时注意到可能暗示食物或危险的物体。

• 不同视觉生境的果蝇表现出不同的视觉行为，相关物种通常有很大的视觉生态限制
  

• 利用一种让果蝇与虚拟环境互动的设备，生物学家发现，莫哈韦沙漠蝇会盯着一个物体保持平衡和稳定，同时也会把它作为一种感兴趣的资源，用注视和扫视的融合策略来追踪物体；而普通的城市果蝇会盯着背景，但会快速扫视物体，用一种“背景固定，物体扫视”的策略来追踪物体。

• 果蝇经常被用于探索视觉感知和处理的实验。并非所有种类的果蝇都以同样的方式导航环境，这一发现扩大了科学家们可以学习的可能性。
  

在你柜台上的苹果周围盘旋的果蝇必须在一个杂乱的环境中寻找食物，从你房子周围的建筑环境和植被到你厨房里的东西。沙漠果蝇就没那么多了。为了找到仙人掌果实，它们飞过了一片几乎是贫瘠的土地，上面点缀着相对可预测的障碍物，数量要少得多。尽管如此，长期以来人们一直认为，其他种类的果蝇无论在什么栖息地，都能以与城市果蝇相同的方式导航和保持平衡。

一项新的研究反驳了这一观点，发现生活在两种截然不同的视觉栖息地的蝇子有明显不同的导航策略。研究人员将果蝇放入一个精巧的装置中，让它们以类似于电视节目《星际迷航:下一代》中的全息甲板的方式与虚拟物体互动，从而发现了这一发现。

飞行的果蝇有两个任务：朝感兴趣的地方飞去，但也要在飞行过程中保持稳定。和人类一样，视觉帮助它们在朝向诱人的物体时保持笔直和稳定。这两项任务并不互补。看有趣的东西会打断保持稳定所需的视觉。但是大脑处理视觉信号的方式使得果蝇可以同时完成这两项任务。

加州大学洛杉矶分校综合生物学和生理学教授Mark Frye是《Current Biology》杂志上发表的一篇论文的通讯作者，他说:“视觉稳定性很重要——试着闭着眼睛单脚站立。”“如果你想看有趣的东西，你必须暂时忽略你的视觉中指导平衡的部分，这样你就有摔倒的风险。”——这大概就是在危险景点常说的：走路不看景，看景不走路。

城市果蝇(Drosophila melanogaster)生活在一个丰富的视觉环境中，它们可以稳定周围物体的背景以确定自己的方向。但在沙漠中，莫哈韦果蝇(Drosophila mojavensis)遇到的少数物体很可能是它们感兴趣的东西，比如仙人掌，但它们也构成了它们需要用来保持稳定的风景。

为了测试不同的环境如何影响这两个物种在导航和稳定性之间的平衡，研究人员设计了一个系统，让果蝇与虚拟物体互动，同时用相机跟踪它们的身体和眼球运动。他们把一个小钢钉粘在果蝇的背上，并将其连接到一个圆形鼓状装置顶部悬挂的磁铁上。滚筒底部的另一块磁铁产生磁场，使销子精确地固定在位置上，同时允许果蝇在滚筒内的水平面上旋转。鼓的墙壁完全被LED灯覆盖，计算机利用这些灯创造出各种大小和方向的不同运动形状。果蝇可以选择如何与这些虚拟物体互动。比如其中一种是看起来像某种自然特征比如树干的垂直条。这是为了测试果蝇如何使用条纹和背景来导航。“我们知道它在看哪里，因为我们用摄像机跟踪它的身体和头部。我们还可以精确地控制LED视觉显示器的动作，这样我们就可以重现实验中果蝇的视角，” Frye 说。

沙漠里的果蝇忽略了背景，让竖条在它们的视觉中线上居中并沿着竖条平稳地移动，而城市里的果蝇则不然。沙漠和城市的果蝇都进行快速的眼球运动——扫视，以跟随沿着连续路径移动的物体。然而，沙漠蝇更多地依赖于平稳地固定在垂直杆上，随后是一连串的扫视，以赶上快速移动的杆。

这种模式类似于我们自己的眼睛追踪移动物体的方式。“当我们的眼睛追踪一个快速移动的物体时，比如在无聊的火车旅程上追踪一头经过的牛，我们倾向于看到平滑的连续眼球运动，但只有当物体相对于我们缓慢移动时才会如此。”当我们的速度越快，我们的眼睛就会切换到快速扫视来跟上，”加州大学洛杉矶分校的博士候选人、该研究的主要作者Martha Rimniceanu说。“我们很兴奋地发现，在密切相关的果蝇物种中，平稳的眼球运动和扫视的不同用途。我们认为这是对它们原生视觉环境结构的一种适应。”

沙漠蝇对横过静止背景中的竖条纹做出反应，采用“注视和扫视”策略来平稳地跟踪竖条纹。“基本上，沙漠果蝇盯着竖条是为了平衡和稳定，同时也把它当作一个感兴趣的物体。城市果蝇平稳地盯着背景而不是竖条纹以保持平衡，然后只用快速扫视的方式飞向竖条，”Frye说。

研究表明，无论两个物种是否近亲，它们的视觉环境决定了它们的视觉导航策略。

果蝇经常被用于探索视觉感知和加工的实验。并非所有种类的果蝇都以同样的方式导航环境，这一发现扩大了科学家们可以学习的可能性。例如，与城市果蝇相比，沙漠果蝇的视觉导航更接近人类，它们可以作为学习更多人类视觉的模型。这些信息还可以用于帮助开发自动驾驶汽车。“我们可以根据我们的问题来调整研究，而不是局限于果蝇给我们的东西。”