蝙蝠、甜甜圈和指南針：科學家發現動物如何定位自己

想象一下你從地鐵車廂裡出來。你一踏上講臺，一瞬間，你完全迷失了方向。感覺很奇怪，因為當你在另一個車站上車時，你從南到北都知道，但現在你已經掉頭了。據以色列魏茨曼科學研究所的研究人員說，這種感覺很可能是由於哺乳動物大腦的三維羅盤暫時失靈造成的，這種羅盤不依賴磁場，但它能使我們的大腦相對於周圍環境定向。而事實證明，最好的方式來表示這個三維指南針是建模後，一個甜甜圈。...

最好的方式來表示這個三維指南針是建模後，一個甜甜圈

為了瞭解動物如何在三維空間中定位自己，研究人員研究了蝙蝠。這些哺乳動物是一個理想的選擇，因為它們需要能夠在太空中找到自己的位置，即使它們的腹部指向天空飛行。為了弄清楚蝙蝠是如何實現這一導航壯舉的，研究人員使用了一個影片監控系統和**蝙蝠大腦的微電極。這些電極在飛行過程中傳遞大腦訊號，幫助研究人員跟蹤動物的頭部旋轉。由此產生的讀數使研究人員能夠識別蝙蝠大腦中的神經元，這些神經元被調整到特定的3D角度，有點像3D向量。此外，研究人員意識到，這些神經元位於大腦不同的區域，而不是用來計算頭部方向的二維-這一發現表明，這兩個引數的計算是相互獨立的。

“基本上我們發現的是，如果你想把你的頭指向一個樹杈，這個樹杈離你有一個特定的高度和角度，”魏茨曼研究所的神經科學家、發表在《今日自然》上的蝙蝠導航研究的合著者阿森·芬克爾斯坦（Arseny Finkelstein）說，“你（將會）想要計算這個（在）3D方向。這個‘3D頭部方向單元’可以做到這一點。”

人類大腦完全有可能擁有相同型別的三維羅盤

人類顯然與蝙蝠有很大的不同，但芬克爾斯坦認為人類大腦完全有可能擁有相同型別的3D指南針。儘管我們離不開科技的幫助，但我們生活在多層的環境中——多層建築就是一個例子——這意味著能夠理解和處理三維的標高以及方向是至關重要的。

這就是為什麼發現這些“3D頭部方向細胞”如此重要。直到最近，我們對導航的理解還侷限於幫助我們形成周圍環境的大腦地圖的細胞，以及幫助我們的大腦在水平面上導航的細胞。但對於哪些細胞與我們的大腦地圖結合工作，從而實現3D導航，我們知之甚少。”芬克爾斯坦說：“在任何物種中都沒有發現這種現象，不僅僅是蝙蝠，還有哺乳動物。”一部分原因是因為過去很難追蹤這些角度——存在技術差距。”但錄音技術的進步使這項研究得以向前發展。而研究人員收集到的資訊正是導致他們將哺乳動物的心理羅盤模擬成甜甜圈形狀的原因。

Finkelstein等人。/自然

芬克爾斯坦說：“這不是解剖結構，而是功能表徵。”這是我們認為這些神經元遵循的結構。芬克爾斯坦說，甜甜圈模型是理想的，因為它能給動物提供很多關於他們的頭何時倒轉的資訊。一個球體就不會那麼詳細了。”這是一個數學論證，”芬克爾斯坦說。但這也是基於生物必要性。”動物關心這些資訊。”

甜甜圈不是解剖結構。這是一個函式表示

挪威科技大學兩位沒有參與這項研究的神經科學家大衛·羅蘭和梅·布里特·莫瑟認為，研究人員的工作“證明瞭用動物行為學方法研究神經科學的不可估量的價值”他們在今天出版的《自然》雜誌的一篇報道中寫道：“透過研究一種在3D中活動的動物，“（芬克爾斯坦和同事們）發現了哺乳動物大腦在3D中定向的一種方式。”

為了強調他的發現的重要性，芬克爾斯坦指出了眩暈——一種經常被描述為靜止時旋轉的感覺。他說，這可能是由於我們大腦的心理地圖和我們的三維指南針之間的錯位造成的。當飛行員發生眩暈時，眩暈可能是一種極其危險的情況，因為他們失去辨別哪條路向上，哪條路向下的能力。”但是我們不知道是什麼觸發了地圖和指南針的重新排列，“他說，”或者我們如何將地圖和指南針結合起來移動。“如果我們能夠理解這一點，我們也許能夠幫助飛行員避免重大事故。

但像這樣的應用還有很長的路要走。與此同時，芬克爾斯坦和他的同事們計劃看看他們是否能證明老鼠和人類存在相同的一般機制。”芬克爾斯坦說：“動物需要在三維空間中導航，很少有動物只在平面上移動。”識別這些我們以前不知道的細胞；這是一個很大的進步，”他說。但這也是“我們需要更好理解的東西”