在一项新研究中，加州大学圣迭戈分校卡夫里大脑与思维研究所（KIBM）的研究人员发现，果蝇（Drosophila melanogaster）的认知能力比以前认为的更强。利用定制的沉浸式虚拟现实环境、神经遗传学操作和体内实时大脑活动成像，科学家们于2022年2月16日在《自然》杂志上提出了果蝇和哺乳动物的认知能力之间存在显著联系的新证据。
他们调查的多层次方法在果蝇中发现了注意力、工作记忆和类似意识的能力，这些认知能力通常只在哺乳动物中测试。研究人员能够观察到它们微小的大脑中的记忆痕迹的形成、分心和最终消退。
研究的高级作者、加州大学圣迭戈分校生物科学部教授、KIBM副主任Ralph Greenspan说：“尽管缺乏明显的解剖学上的相似性，但这项研究涉及我们的日常认知功能--我们注意什么以及我们如何做到这一点。由于所有的大脑都是从一个共同的祖先进化而来的，我们可以根据分子特征和我们存储记忆的方式得出果蝇和哺乳动物大脑区域之间的对应关系。”
为了达到他们新发现的核心，研究人员创造了一个沉浸式的虚拟现实环境，通过视觉刺激来测试果蝇的行为，并将显示的图像与红外线激光结合起来作为逆热刺激。这个接近360度的全景竞技场允许果蝇在被拴住的情况下自由地扇动翅膀，并且随着虚拟现实根据它们的翅膀运动（使用高速机器视觉摄像机进行实时分析）不断地更新，它给果蝇带来了在世界中自由飞行的错觉。这使研究人员有能力训练和测试果蝇的调节任务，让昆虫远离与负热刺激相关的图像，并转向与热无关的第二个图像。
他们测试了两种调节方式，一种是给果蝇的视觉刺激与热刺激的时间重叠（延迟调节），两者一起结束；另一种是跟踪调节，在显示和移除视觉刺激后，等待5到20秒再提供热刺激。中间的时间被认为是"痕迹"间隔，在此期间，果蝇在其大脑中保留了视觉刺激的"痕迹"，这一特征表明哺乳动物的注意力、工作记忆和自觉意识。
研究人员还对大脑进行了成像，利用他们在脑细胞中基因工程的荧光分子实时跟踪钙的活动。这使研究人员能够记录果蝇活体记忆的形成和持续时间，因为他们看到痕迹在果蝇的短期（工作）记忆中不断闪烁。他们还发现，在训练过程中引入的分心--使视觉记忆更快消退，这标志着研究人员首次能够证明果蝇的这种分心，并暗示了果蝇记忆形成中的注意力要求。
“这项工作不仅证明了果蝇能够进行这种更高级形式的痕迹条件反射，而且这种学习就像在哺乳动物和人类中一样可以分散注意力，而且果蝇的这些注意力和工作记忆过程所依据的神经活动与哺乳动物的神经活动显示出显著的相似性，”加州大学圣迭戈分校KIBM研究人员、这项新研究的主要作者Dhruv Grover说。“这项工作表明，果蝇可以作为研究高级认知功能的一个强大模型。简单地说，果蝇继续让人惊讶于它到底有多聪明。”
科学家们还确定了果蝇大脑中记忆形成和消退的区域--一个被称为果蝇中央复合体的椭圆体的区域，这个位置与人类大脑的大脑皮层相对应。
此外，研究小组发现，神经化学物质多巴胺是这种学习和高级认知功能所需要的。数据显示，多巴胺反应在学习过程中越来越早地发生，最终预示着热刺激的到来。
研究人员现在正在调查关于注意力如何在大脑中进行生理编码的细节。Grover认为，从这个模型系统中获得的经验可能会直接启发我们对人类认知策略和破坏这些策略的神经障碍的理解，但也有助于新的工程方法，使人工智能设计的性能得到突破。