站在城市中心，你如何找到回家的路?这并不是一件困难的任务，周边建筑、路标路牌、独特标志等种种物品都指示着回家的方向。但是，如果你是站在一片空旷的平原上，还能找到家的方向吗?果蝇每时每刻都面临着这件任务，为了完成任务，它们天天做“心算”。

收集四面八方的数据

与人类相似，在辨别方向时，果蝇需要收集各个方面的环境信息，其中视觉信息是非常重要的。

即使我们闭上眼睛，我们也能区分前后方向，这是因为大脑会对我们在空间中的位置建立模型。在20世纪80年代，科学家发现一组名为“头部方向”的细胞在为我们指示前后，其所依据的正是视觉信息——眼睛长在前方，因此大脑会将光亮处认为前方，黑暗处则是后方。后来，科学家在果蝇的大脑中也找到了类似的细胞，它们是起着相同的作用吗?

为了回答这个问题，美国洛克菲勒大学的神经学家吕程把果蝇粘在微型的带子上，带子只固定住果蝇的头部，这样他就可以记录果蝇的大脑活动，同时果蝇仍然可以拍打翅膀，自由选择它们想去的方向。吕程为果蝇打造了一个自然的光照环境：周边有遮光的挡板，前方悬挂一个代表太阳的强光源，随着光源的移动，黑暗区域可以自由调整。正如预期的那样，果蝇的头部跟随着强光源的运动转向，与黑暗区域的变动无关。

视觉信息只能提供前后方向，而嗅觉信息——来自源头的气味分子四散飘开，这也给果蝇造成了大难题：源头在前方还是后方、左边还是右边、上面还是下面?为了解决这个问题，动物们选择了一种被称为“主动感知行为”的策略。例如，当一只果蝇探测到水果的气味时，它会先逆风飞行以接近食物源的气味，然后，在气流再次涌动之前，它会来回蜿蜒地运动以寻找更多的气味线。如果丢失了气味线索，它会重新探索，直到找到这个气味。

视觉、嗅觉，除了这些感观信息外，我们还会用什么感官感知外界?对了，是听觉和触觉。对果蝇来说，这两种感官都依赖同一个器官——触角。声波在空气中振荡，使触角快速地来回摆动，刺激里面的神经元，果蝇就能听到声音;气流的规律运动吹拂触角，让它向固定的方向运动，触角朝哪个方向弯曲、弯曲的幅度大小意味着风的来向以及风力大小。

所有这些信息不停地涌入果蝇的大脑，它是如何决定自己最终要飞往哪个方向的?

果蝇大脑中的向量计算

多数情况下，这些感官信息指向的方向各不相同，比如当果蝇试图跟随光照的方向向前飞行时忽然迎面刮来一阵风将它向后吹去;果蝇闻到一阵从左前方飘来的果香味却又听到同伴在身后呼唤的声音等。在这些矛盾的情况下，果蝇究竟该飞向何方?

将这些信息抽象出来，很容易想到数学上的向量：具有大小和方向的量，形象化地表示为带箭头的线段。比如，来自视觉的光照信息为指向前方的5米长线段，来自嗅觉的果香气味为指向左边的10米长线段，来自听觉的同伴呼唤是从斜后方来的，来自触觉的拂面微风从左前方迎面而来……根据距离的不同，这些信号的强弱大小各不相同，这不正像一个个向量吗?

绘制一个XY坐标轴，我们能够根据数学知识将这些向量相加，算出一个向量和。那么，果蝇能不能像这样确定它们的方向呢?

上述洛克菲勒大学神经学家吕程的研究表明，果蝇确实用向量计算的方法确定方向。果蝇大脑内的很多神经都有着严格且规则的解剖规律，其中有四组神经，每组内的每一根神经都在大脑中线性排列着，吕程发现这四组神经信号的强度与运动方向密切相关。美国纽约大学的神经科学家也有相似的结论：果蝇在有风的环境中是根据两个不同方向的组合，即气流方向和气味团移动的方向，来确定行进方向的。果蝇的触角能够同时感知气流和气味团，其风感神经元在大脑的一个特定位置与其嗅觉方向感应神经元交叉在一起，两组神经元一起告诉果蝇向哪个方向移动。

由此，我们就可以知道果蝇导航的步骤：第一步是由感觉器官分别感知四个分向量，包括视觉、嗅觉、听觉和触觉等多个感官收集到的信息;第二步是将这四个分向量根据头的朝向进行旋转，在果蝇的大脑中，四组对视觉运动敏感的神经元分别代表一个向量，通过神经元之间连接的结构可以实现向量的旋转;第三步则是将四个分向量加和，就得到了身体的运动方向。果蝇在大脑中将这四个向量加起来，就能得到一个向量和——这就是果蝇的最终移动方向。

提到向量坐标与向量计算，也许有许多人会感到头疼，但你一定没有想到，一只小小的果蝇每天要进行数不清次数的向量计算吧!其实，不止是果蝇，包括人类在内的所有动物每时每刻都面临着类似的问题：当一个感官探测到环境中的刺激时，身体其他部位如何协调一致?果蝇所采用的计算回路提供了一个非常高效的方案，这很可能和其他动物的解决方案有共通之处。