昆虫天体罗盘中时空计算的神经机制解析

为破解昆虫如何利用太阳方位进行时空补偿导航的难题，英国爱丁堡大学Evripidis Gkanias和Barbara Webb团队通过建立"小时角模型"和"完整模型"，揭示了DN1pB神经元通过三角函数运算实现太阳方位预测的神经机制。研究发现昆虫通过Cry1蛋白感知天光辐照度估算昼长，结合时钟神经元振荡信号，在TuBu1神经元中完成视网膜坐标系到地理坐标系的转换。该研究为仿生导航技术提供了新思路，论文发表于《Nature Communications》。

　　

在广袤的自然界中，沙漠蚂蚁能穿越贫瘠的盐滩精准返巢，帝王蝶可完成跨大陆迁徙，这些昆虫的导航能力始终令科学家着迷。它们依赖的天体罗盘面临核心挑战：太阳位置随时间不断变化，必须建立时空补偿机制才能获得稳定地理参考。传统观点认为昆虫可能通过内部时钟或太阳高度角估算太阳运动，但具体神经计算机制仍是未解之谜。更令人困惑的是，不同纬度地区太阳运行轨迹差异显著——北半球顺时针、南半球逆时针、赤道地区近乎垂直运动，昆虫如何实现普适性补偿？这些问题的解答对理解生物导航原理和开发仿生技术都具有重要意义。

爱丁堡大学Evripidis Gkanias和Barbara Webb团队在《Nature Communications》发表的研究，通过建立数学模型结合神经解剖学证据，系统阐释了昆虫天体罗盘的时空计算机制。研究采用计算神经科学方法构建"小时角模型"和"完整模型"，通过虚拟昆虫的觅食和迁徙行为模拟验证模型有效性，并结合果蝇(Drosophila melanogaster)的神经通路数据提出具体神经实现方案。

关键技术方法包括：1) 基于Cry1蛋白光敏特性建立昼长估算微分方程；2) 利用三角函数构建太阳方位预测的神经计算模型；3) 整合中央复合体(Central Complex, CX)导航回路进行行为模拟；4) 采用FlyWire数据库分析DN1pB神经元连接组；5) 设计跨纬度迁徙和定点觅食的虚拟实验验证模型。

研究首先提出"小时角模型"，发现Tim和Cry2蛋白的6小时相位差恰好对应90°空间编码，能通过正弦/余弦函数表示15°/小时的恒定太阳角速度。模型创新性地引入昼长估算机制：Cry1(t)=aI_sky(t)将天光辐照度转化为蛋白浓度，通过τ_LdT_L/dt=Cry1(t)+β-T_L动态计算昼长，使时钟同步于太阳正午而非日出。在神经层面，DN1pB神经元将时钟信号传递至TuBu1神经元，通过ER4m环神经元实现cos(α-α'+φⁿ)的三角函数运算，完成视网膜太阳方位(α')到地理方位(α)的转换。

更精细的"完整模型"进一步整合年度周期信号：1) 太阳赤纬(δ)的23.45°年振荡影响昼长；2) 通过地磁倾角(μ)估算地理纬度(φ)；3) 在DN1pB神经元中整合时角(ω)、赤纬(δ)和纬度(φ)计算精确太阳方位。模型能自适应太阳运行方向的切换，特别适用于赤道地区。

行为模拟验证显示：在定点觅食实验中，完整模型使虚拟昆虫返巢误差(绿色箱线图)更接近沙漠蚂蚁实测数据(绿色虚线)；在跨半球迁徙模拟中，针对帝王蝶(D. plexippus)、博贡蛾(A. infusa)和环球蜻蜓(P. flavescens)的迁徙路线，完整模型在赤道穿越时优势显著，而小时角模型在单半球迁徙中已足够精确。敏感性分析表明，时间估计需超过25%误差(6小时)才会显著影响导航，而磁感应噪声容限达45°。

该研究突破性发现昆虫大脑利用时空信息的正弦编码特性，通过神经层面的三角函数运算实现复杂导航计算。这不仅解释了昆虫在缺乏GPS和精确星历表情况下的长距离导航能力，更为仿生导航技术开发提供新范式：1) 基于生物钟的自主时空参考系统可在GPS失效环境下工作；2) 天光辐照度测量替代精确时钟的工程启示；3) 为行星探测机器人提供潜在导航方案。研究提出的神经计算机制预测了DN1pB与TuBu1神经元的乘法连接模式，这为后续实验神经生物学研究提供了明确方向。