蚂蚁，也懂笛卡尔坐标系？

对我们大多数人来说，认路不能算特别困难的事情，我们人类是在不同环境里应对自如的优秀导航员。但昆虫的导航技巧可能比我们更出色，甚至可以说相当惊人。

比如，生活在撒哈拉盐田中的蚂蚁能行进一千多米，在旅程中的任何时刻都能知道它们与巢穴之间的位置关系。在这种地形上，并不存在地标或其他特征帮助蚂蚁识别它们的方位。别忘了，一千米差不多是蚂蚁身长的12万倍。这就相当于一个人从杭州走到了上海，不需要用到任何地标也能在沿途任何时候清楚正确的方向和距离。

对许多昆虫而言，找到正确的方向几乎是一个生死攸关的问题。与哥伦布和麦哲伦等伟大的人类探险家类似，蚂蚁懂得利用太阳在天空中的位置作为指南针，并通过自身运动来估计距离。这就能保证蚂蚁在觅食后准确无误地回到巢穴中。

当昆虫离开巢穴时，它所走的方向和距离都是由脑中神经元编码的。为了探寻昆虫的脑中究竟如何编码并储存这些有关方位的记忆，一组科学家进行了非常特别的实验。他们冷冻了一些蚂蚁和甲虫（别担心，这些小家伙仍然活着）。研究认为，昆虫有可能是“利用”了类似笛卡尔坐标系的系统帮助记忆路线。论文已于近日发表在《当代生物学》上。

兼容记忆的不同方面

由于显微技术和遗传学的最新发展，科学家已经能够让不同种类的脑细胞发出不同颜色的光。这让研究人员有能力区分单个神经元，并解开它们在构成大脑的神经系统中如何相互连接的问题。

这一技术已被用于观察昆虫的脑如何追踪它的行动方向，并识别在昆虫移动时编码其速度的脑细胞。有了这些信息，昆虫就可以在旅程中不断将当前的速度添加到记忆中，从而计算并追踪自己已经走了多远。

事实上，这是一个相当令人困惑的谜题。快速移动的昆虫需要在飞行中不断地更新它们对方向和距离的记忆，而同时又能将这些记忆保存数天时间。记忆的这两个方面，也就是快速更新和长期持续，通常被认为是不兼容的，但昆虫似乎却能设法将它们结合起来。

冷冻昆虫

为了解决这一难题，在这项新研究中，科学家认为冷冻昆虫是找出答案的最好方法。这乍听起来当然非常奇怪，但自有其原因。

麻醉师都知道，当一个人接受麻醉时，他们会忘记麻醉前发生的某些事情，但会记得其他事情，具体取决于这些记忆的储存方式。对昆虫来说，最接近麻醉的状态就是将它们暂时冷冻。当它们的温度降低到融冰温度（0ºC）时，大脑中的电活动就会停止，昆虫就会陷入昏迷。

如果它们的方向和距离记忆是以短期电活动的形式保持的，那么当它们被冷冻时，这些记忆会被抹去。但如果它们被储存在神经元之间的突触中，作为长期记忆的一部分，那么它们仍然能被留下来。

因此，科学家在蚂蚁和甲虫离巢时捉住了它们，并将它们冷却到0ºC，持续半个小时的时间，随后再把这些小家伙放回环境温度的条件下。一旦蚂蚁或甲虫苏醒了，它们会被放在一个陌生的地方，看看它们会做什么。

图片来源：Pisokas, I. et al. (2022)

通常，当这些昆虫被释放到它们生活环境中一个陌生的地方时，它们会像没有被移动位置那样径直向它们巢穴的所在跑去。也就是说，它们会与往常的路径平行移动，一旦走到了预期的距离，就会开始寻找巢穴的入口。

但科学家却注意到，被冷冻后的昆虫会朝着预期的方向移动，却不记得应该走的距离。也就是说，它们会过早地开始寻找巢穴的入口。

一种可能的解释

起初，这个结论非常令人困惑，因为它们距离的记忆退化了，但方向的记忆却保留了下来。这一结果没有带来团队预期的有关短期（遗忘）和长期（保留）记忆之间的明确区别。

但科学家随后提出，对这一现象的最佳解释并不是把它看作两个独立的记忆，而是一个共同的记忆，它将方向和距离结合起来共同编码，冷冻过后，这个记忆部分消退了。

可以这样想，蚂蚁记住的并不是一个距离加一个方向（角度），而是以x-y坐标记住了它的位置，也就是所谓的笛卡尔坐标系。

昆虫可能利用了笛卡尔坐标系来记忆自身的方位。| 图片设计：雯雯；参考来源：Pisokas, I. et al. (2022)

如果它失去了一部分记忆，x和y值都会减少，假设它在两个坐标轴上失去了相似比例的记忆，那么最后的距离就会被缩短，但方向（角度）仍然能保持相同。

或许，早在笛卡尔正式提出这一概念之前，昆虫就已经在使用笛卡尔坐标系找到回家的路了。

#创作团队：

编译：Måka

排版：雯雯

#参考来源：

https://theconversation.com/the-insect-brain-we-froze-ants-and-beetles-to-learn-how-they-remember-their-way-home-177763

https://www.cell.com/current-biology/fulltext/S0960-9822(21)01598-0

#图片来源：

封面图：Steve Jurvetson from Menlo Park, USA via Flickr under CC BY

首图：Max Pixel