封面新闻记者 边雪

最近，一段只有几十秒的视频在神经科学和人工智能研究者之间迅速传播。画面中，一只果蝇在虚拟环境中缓慢移动：它在空气中停顿、转向，随后停下来用前足梳理触角上的“灰尘”，接着继续向前，最终停在一片“香蕉”旁开始进食。

这并非动画，也不是游戏模拟，而是一只由神经连接数据驱动的“具身化虚拟果蝇”。

这一项目来自美国公司 Eon Systems PBC。近日，公司联合创始人兼创始顾问 Alex Wissner-Gross 在社交平台 X 上分享了团队在“X项目”（Project X）中的阶段性成果。当地时间3月10日，团队发布了一篇较为详细的技术说明，解释虚拟果蝇的工作机制以及当前模型的局限。

在说明中，研究团队指出，这只虚拟果蝇仍处于早期开发阶段，其目的并不是复刻一个完整的生命体，而是探索一个更基础的问题：如果掌握了完整的神经连接结构，是否可以在计算机中重建一个能够感知、决策并行动的生命系统？

14万个神经元的“虚拟大脑”

要让一只果蝇在计算机中“活起来”，首先需要的是大脑。

研究团队使用的是 Philip K. Shiu等人在2024年提出的果蝇中枢脑模型。该模型基于成年果蝇的连接组数据构建，包含约 14万个神经元和约5000万个突触连接。在模型中，每个神经元通过一种被称为“漏泄-整合-发放”（LIF）的简化动力学规则运行，并根据推断得到的神经递质属性决定突触信号的正负作用。

这种模型并不是对真实神经元结构的完全复刻，而是一种计算效率更高的抽象表示。但研究表明，仅凭神经连接结构本身，模型已经能够恢复部分感觉—运动行为的基本模式，例如进食和梳理等反应。

这一大脑模型依赖于近年来神经科学领域的重要基础设施FlyWire 项目。该项目通过电子显微镜重建了果蝇大脑的完整神经连接网络，并建立了包含14万多个神经元的全脑数据库。研究团队正是在这一数据基础上构建了大脑模型。

与此同时，研究人员还引入了 Lappalainen 等人提出的视觉模型。该模型是一个由连接组约束的循环神经网络，覆盖64种视觉细胞类型，并能够预测视觉运动通路中的神经活动。通过这一系统，虚拟果蝇可以接收来自环境的视觉刺激信号。

但大脑只是整个系统的一部分，如果没有身体，神经信号就无法转化为行为。

当大脑遇到“机械身体”

为了让大脑产生行动，研究团队使用了此前发表的神经机械果蝇体模型NeuroMechFly。

在这个系统中，果蝇被建模为一个具有真实解剖结构的三维实体。研究人员利用对真实果蝇进行 X 射线显微断层扫描得到的数据构建了数字身体，并在其中设置了 87个可运动关节。每个关节的运动都受到物理规则约束，包括力、接触和关节运动范围等。

整个身体运行在 MuJoCo 物理引擎中，这是一种广泛用于机器人和运动模拟的高保真物理环境。研究人员将大脑模型与这一虚拟身体连接起来，形成一个完整的感知—行动循环。

在系统运行过程中，每 15毫秒 完成一次同步步骤：虚拟环境产生感觉输入，大脑模型根据这些输入更新神经活动，随后通过下行神经元输出运动信号，身体执行动作并改变环境，新的感觉信息再被反馈回大脑。

通过这种方式，虚拟果蝇能够在环境中移动、转向并与物体互动。

不过，在真实生物中，大脑并不会直接控制每一块肌肉，而是通过一类被称为 下行神经元（Descending Neurons） 的神经细胞将指令发送到身体。研究团队在模型中也采用了类似策略。

他们并没有模拟完整的运动神经系统，而是选择了一些已经被实验验证具有明确行为功能的下行神经元作为控制接口。例如，神经元 DNa01 和 DNa02 与转向行为有关，oDN1 影响前进速度，而与喙部相关的运动神经元则参与进食行为。

这些神经元的活动被转化为少量控制信号，再由底层控制器将其转换为具体的身体动作。研究人员用一个简单的比喻来解释这一机制：如果知道方向盘、油门和刹车的位置，就可以预测汽车的行驶轨迹，而不需要模拟发动机内部的每一次燃烧。

一只仍在成长中的“数字生命”

在当前系统中，研究人员已经实现了几种典型行为。中之一是梳理行为。在真实果蝇中，当触角上积累灰尘或受到刺激时，会通过机械感觉神经元触发特定神经回路，使果蝇用前足清理触角。在模型中，研究人员设置了“虚拟灰尘”，当灰尘积累到一定程度时，触角机械感觉神经元被激活，从而触发梳理动作。

另一种行为是 进食反应。果蝇的腿和喙上存在味觉受体神经元，当这些神经元感知到糖等刺激时，会激活大脑中的摄食回路。在虚拟环境中，当果蝇接触到模拟的糖源时，也会产生类似反应。

研究团队还设置了简单的 觅食任务。在环境中放置气味或味道信号源后，虚拟果蝇会在环境中移动，一旦检测到食物信号，就会朝着食物方向移动。

此外，模型还能够模拟一种潜在的 威胁视觉刺激——例如一个在视野中迅速扩大的黑色物体。在真实果蝇中，这种刺激通常会触发逃避反应。研究人员已经能够在模型中激活相关神经元，但完整的逃避行为尚未实现。

尽管这些行为已经能够展示基本的“感觉—运动”循环，但研究团队反复强调，这一模型仍然存在明显局限。首先，大脑模型仍然是简化的神经元模型。它并没有包含真实神经元复杂的树突结构、离子通道以及许多生物物理动力学过程。其次，许多重要的内部状态因素例如饥饿、激素变化，在当前模型中都没有被纳入。

与此同时，脑—体接口仍然是一个复杂的工程问题。研究人员需要决定神经元放电频率究竟如何映射为关节运动或转向速度，而目前这些映射关系在很大程度上仍依赖经验设定。

真实果蝇拥有超过1000个下行神经元，形成复杂的控制网络，而当前模型只使用了其中极少的一部分。因此，虽然虚拟果蝇可以表现出可识别的行为，但其控制维度仍远低于真实生物。

在研究团队看来，这只具身化的虚拟果蝇不应被理解为一个完整的生命模拟，而更像是一个研究平台。通过将神经连接图谱、大脑模型与物理身体结合，科学家可以在计算机中测试神经结构与行为之间的关系，并探索未来更复杂的脑—体模拟系统。

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