特殊的大脑指南针帮助蝙蝠和其他动物正确导航

当你走出电梯时，你是否经常不假思索地就知道要往哪个方向走？

对于某些人，尤其是那些每天早上乘坐钢笼上班的人，正确的方向是自然而然的。其他人则必须思考该往哪个方向走，并且在转弯时可能会尴尬地撞到我们的电梯伙伴。无论哪种情况，我们都在使用内在导航。一项关于蝙蝠的新研究解释了我们的脑细胞如何帮助实现这一点，直接对水平或垂直方向做出反应并充当内部指南针。

导航需要两件事：知道自己在哪里，就像有一张地图一样；知道自己在地图上所处的方向，就像有一把指南针一样。哺乳动物需要处理大量此类信息才能安全地在环境中导航，无论是人类在拥挤的电梯间穿梭，还是鼹鼠在地下挖洞，还是蝙蝠在树丛中穿梭。

之前对老鼠的研究发现了一个大脑中枢，它有助于实现这一切。它位于海马背前下托。根据之前发表的几项研究，这些所谓的“头部方向细胞”帮助老鼠、蝙蝠、猫、海豚和其他哺乳动物确定方向。但没有人研究过大脑是如何同时确定三个头部方向的——向上、向下和向侧面。

以色列魏茨曼科学研究所的阿森尼·芬克尔斯坦及其同事着手进行这项研究，他们重点研究了埃及果蝠的背部前下托。他们连接了无线设备来测量蝙蝠在爬行寻找食物时的大脑活动，还测量了蝙蝠在三维空间中的移动方向，以便将蝙蝠的行为与其大脑活动联系起来。他们还监测了蝙蝠飞向栖木并头朝下着陆的情况。这是一个棘手的动作——想象一下一只蝙蝠飞向栖木，身体和翅膀朝前。当它着陆时，它会翻转身体，仰面朝上，然后腿向上伸。最后它的头朝下，面朝它来时的方向，这种旋转会让大多数人感到头晕目眩。

通过观察蝙蝠的大脑活动，研究人员注意到某些细胞对水平方向有反应，而另一些细胞对垂直方向有反应。这些细胞共同帮助蝙蝠在空间的所有三个维度上追踪它们的方向。头部方向细胞并非研究人员最初猜测的球形，而是呈环形——它们看起来像一个厚厚的甜甜圈，研究人员称之为“3D 神经指南针”。这个指南针是如何工作的？当蝙蝠旋转身体时，其大脑中的神经细胞会逐渐围绕甜甜圈移动。它们以代表蝙蝠方向的模式激活。

同样的研究人员最近还报告了蝙蝠大脑中的三维位置细胞，他们认为这些细胞协同工作——一个是地图，一个是指南针。

作者指出，其他动物的神经罗盘可能更像球形，这也有助于动物在侧向滚动时跟踪方向。但蝙蝠实际上不会这样做，所以甜甜圈形状非常适合它们。还需要做更多的工作来描述其他哺乳动物的类似系统，但研究人员认为它们可能不仅限于蝙蝠。

他们写道：“我们预测，在复杂的三维环境中移动或上下移动头部的非飞行哺乳动物中也可能发现连接性三维头部方向细胞，例如松鼠、猫、海豚和灵长类动物。”

该论文今日在《自然》杂志网络版发表。

DOI: https://dx.doi.org/10.1038/nature14031/