在以色列雷霍沃特一片被太阳炙烤的土地上，两位神经科学家凝视着他们自己设计的 200 米长隧道的黑暗深处。蛇形结构的织物面板在热浪中闪烁，而在内部，一个研究对象正在昏暗的环境中导航。最终，一只蝙蝠从黑暗中冲出，表演了一个空中后空翻，倒挂在隧道的入口处。
研究负责人 Nachum Ulanovsky 深情地看着这只生物，他的研究生递给它一块香蕉——这是对它刚刚为他们最新的大脑导航研究添加宝贵数据的奖励。
绝大多数探索大脑导航的实验都是在实验室的限制范围内进行的，使用的是陆地上的大鼠和小鼠。Ulanovsky 打破了这一惯例。他在魏茨曼科学研究所一块废弃的土地上建造了飞行隧道——这是计划中的几个竞技场中的第一个——因为他想了解哺乳动物的大脑如何在更自然的环境中导航。特别是，他想知道大脑如何处理第三维度。
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Ulanovsky 于 2016 年建造的这条隧道已经证明了其科学价值。蝙蝠也是如此。它们帮助 Ulanovsky 发现了导航复杂编码的新方面——导航是一项对生存至关重要的大脑基本功能。他发现了一种新的细胞类型，负责蝙蝠的 3D 指南针，以及其他细胞，这些细胞跟踪其他蝙蝠在环境中的位置。这是一个热门的研究领域——导航研究人员获得了 2014 年诺贝尔生理学或医学奖，并且该领域在每次大型神经科学会议上都越来越突出。
“Nachum 的大胆令人印象深刻，”挪威特隆赫姆卡夫利系统神经科学研究所的 Edvard Moser 说，他是 2014 年诺贝尔奖获得者之一。“而且它得到了回报——他的方法允许解决重要的新问题。”
对于那些在实验室中从高度简化的行为中学习到极限的大脑科学家来说，Ulanovsky 是“自然神经科学”的先驱。多年来，他的竞技场和隧道变得越来越大、越来越复杂，并且越来越不像人工实验室环境。接下来是一个巨大的迷宫，这将使他的团队能够提出更高级的问题，关于大脑如何在飞行中应对决策——例如转向哪个方向。“如果我们想真正了解大脑是如何工作的，我们需要研究动物执行更自然的任务，”德克萨斯州休斯顿贝勒医学院的神经科学家 Dora Angelaki 说。“我们中越来越多的人终于开始意识到这一点。”
为科学武装
当 Ulanovsky 于 2007 年在魏茨曼研究所开设他的实验室时，他正在完成他自己的环形飞行路径。他的家人于 1973 年从莫斯科移民到以色列，当时他只有四个月大，并在雷霍沃特定居。小时候，Ulanovsky 在魏茨曼的亚热带花园里玩耍，并参加为当地儿童和青少年举办的科学活动。
一旦年满 18 岁，大多数身体健康的以色列人都会参加义务兵役。但是 Ulanovsky 不想在 16 岁高中毕业后失去学术势头，因此他报名参加了特拉维夫大学为期三年的物理课程——即使这意味着他将推迟服兵役，并因此服役更长时间。
他的服役证明是有成效的。除了接受一般的军事训练外，由于他的物理学背景，他还被安排在一个研发部门。在五年多的时间里，他学习了设计高科技仪器和编程等技术技能，这些技能后来被证明在为他的蝙蝠设计竞技场和传感器方面非常宝贵。军队允许他休假去学习课程，以支持他对生物学日益增长的兴趣。他离开军队时决心成为一名神经科学家，并在耶路撒冷希伯来大学开始了博士学位，研究猫大脑如何处理听觉信号。
他发现听觉神经元有自己的记忆类型，并立即沉浸在大量的记忆文献中，在那里他发现了导航的重叠领域（动物必须记住它们去过哪里才能导航，记忆和导航在同一大脑区域处理并非偶然）。该领域主要由对地面大鼠和小鼠的研究主导，它们在实验室的小盒子周围快速移动时，它们的导航体验相对容易测量。但是，不同动物在垂直移动——游泳、爬树或飞行——时如何感知世界的问题尚未得到认真解决。Ulanovsky 认为，为了更全面地研究大脑复杂的导航代码，他需要一种路线查找体验主要为 3D 的哺乳动物，这使他想到了唯一的飞行哺乳动物：蝙蝠。
他加入了马里兰大学帕克分校的蝙蝠实验室，以了解更多关于这些生物的信息。他发现了几处与啮齿动物导航模型的相似之处，发现蝙蝠也使用特殊细胞来四处走动。到 2007 年，Ulanovsky 拥有了自己的蝙蝠实验室，并在魏茨曼获得了终身教职。
Ulanovsky 是一个沉着冷静的人，但当他谈论蝙蝠时，他的平静可能会动摇。他的声音会提高几个分贝，脸上也会容光焕发。“在西方，人们害怕夜行动物——在好莱坞电影中，当女主角走进一栋黑暗的建筑物，蝙蝠冲出来时，你知道会发生不好的事情。” 他说，这种恐惧是错位的。“在中国，蝙蝠被认为是吉祥的象征。”
太空漫游
自从 20 世纪 70 年代以来，神经科学家一直对大脑如何编码其空间环境着迷，当时伦敦大学学院的约翰·奥基夫发现，大鼠大脑有一种巧妙的方法来知道动物在哪里。当他将电极放置在大脑中称为海马体的区域时，奥基夫发现神经元仅在老鼠位于其围栏中的特定位置时才会放电，从而创建了一种认知地图。他称它们为“位置细胞”。
将近三十年后，卡夫利研究所的 Edvard Moser 和 May-Britt Moser 也在附近的内嗅皮层中发现了另一种寻路细胞：网格细胞，它不仅在一个位置放电，而且在排列成六边形的多个点放电。这些细胞构成了一种大脑代码，使动物能够跟踪其在空间中的相对位置，就像一个微小的全球定位系统 (GPS)。莫泽夫妇与奥基夫分享了 2014 年诺贝尔奖；他们和其他科学家还在海马区域发现了其他类型的导航细胞，包括那些响应头部方向或围栏墙壁等边界而放电的细胞。
几乎所有这些发现都来自大鼠：除了比如说，抬起后腿嗅探或意外地从架子上掉下来之外，它们的生活都在水平面上进行。一项富有想象力的尝试是为了解决这个问题，在 1998 年 NASA 航天飞机飞行期间，在失重条件下监测植入电极的大鼠，但结果并不确定。
对于 Ulanovsky 来说，蝙蝠的优点不仅限于动物适合理解 3D 地图绘制：他想与野生动物合作，以更好地了解自然行为。他开始认为，高度控制的实验室实验对于理解神经元的一些基本特性至关重要，但需要进行现实检验。“我们对所有这些细胞如何协同工作以绘制动物在野外栖息的环境地图知之甚少，”他说。因此，他推断，从野外捕获并在较少受限的环境中飞行的蝙蝠将是理想的研究对象。此外，Ulanovsky 确信，在实验室啮齿动物以外的东西中研究该系统将有助于确定哪些行为方面可以跨物种。
Edvard Moser 同意研究多种物种的相同技能非常重要。“了解解决同一问题的不同方法将有助于我们从广义上了解包括人脑在内的大脑是如何工作的。”
蝙蝠洞
在 Ulanovsky 将他的想法付诸实践之前，他必须找到合适的蝙蝠种类，检查它如何探索其自然环境，以及最具挑战性的是，设计仪器来收集来自蝙蝠及其大脑的数据。
通常，通过植入电极拾取在小围栏周围奔跑的大鼠大脑的数据，并使用电缆传输到计算机。“显然，这在飞行的蝙蝠中行不通，”Ulanovsky 说。他着手设计无线 GPS 和电生理设备，这些设备足够小，可以供蝙蝠携带。他说，这是一项技术挑战，如果没有他在仪器和软件方面的军队训练，他可能不会成功。
他的 GPS 记录器是一个 5 平方厘米的设备，重量为 8 克。他的神经记录器，带有 16 个细长的电极——每个电极都比人的头发细——重量仅为 7 克。它足够灵敏，可以记录几个单独的神经元放电，并且可以存储数小时的数据。
尽管这些记录器很小，但对于许多蝙蝠来说，它们还是太重了——包括精致的 20 克蝙蝠 Eptesicus fuscus，讽刺的是，它通常被称为棕色大蝙蝠，也是 Ulanovsky 在马里兰州时研究的物种。相反，他决定使用埃及果蝠（Rousettus aegyptiacus）。它的体型是前者的十倍，接近普通实验大鼠的大小，并且在以色列很常见。“这是我小型化方法的低科技部分——选择更大的蝙蝠，”Ulanovsky 说。
有些蝙蝠可能很凶猛，但他说，埃及果蝠“很容易驯服，而且非常适合合作”。每年几次，他都会拿起一张巨大的网，开始蝙蝠捕捉之旅，从居住在废弃建筑物或犹太山丘洞穴中的蝙蝠群中收集样本。
他最早的实验之一始于 2008 年，旨在找出他的蝙蝠在放任自流时选择飞行多远。他说，关于蝙蝠的自然行为知之甚少，因此他需要收集一些基本信息。他为 35 只蝙蝠配备了 GPS 记录器，发现它们每晚飞行 15 公里或更远以寻找晚餐——记住特定结果树木繁茂的确切位置。
他还在他的实验室里建造了飞行室。最大的一个约为 6 × 5 × 3 米——接近壁球场的一半大小——并配备了摄像头、供蝙蝠悬挂的着陆球和喂食站，它们可以在那里被水果诱惑。房间外层包裹着金属和一层黑色吸音泡沫，以屏蔽外部噪音和电气信号，非常安静。照明可以从昏暗调整到非常昏暗。
在隔壁的控制室里，蝙蝠显示为在屏幕上移动的小光点。每只蝙蝠都携带一个红色发光二极管 (LED)，摄像头会跟踪这些二极管，因为动物会在房间里飞来飞去。它们的脑活动通过神经记录器进行监控，该记录器的电极通过手术植入海马体，其外部硬件用微小的螺钉固定在头骨上。摄像头和记录器使 Ulanovsky 能够将神经元的放电与蝙蝠在空间中的确切位置联系起来。
在这种设置中，他已经能够揭示典型蝙蝠导航神经元的 3D 领地。例如，在老鼠身上测量的位置细胞场是特定大小的扁平圆形，但在飞行蝙蝠中，位置细胞场几乎是球形的，没有显示出一些老鼠实验预测的垂直拉长。他研究出头部方向细胞如何作为 3D 指南针运作，并发现了另一种导航细胞——长期以来一直被寻找的矢量细胞——它可以跟踪到特定目标的角度和距离。一系列实验帮助驳斥了一个曾经流行的来自老鼠研究的理论，该理论认为某种类型的大脑振荡会产生网格状神经地图；结果表明，振荡在蝙蝠中不存在，因此对于此类地图构建不是必需的。
他还探索了蝙蝠社交世界的影响。当他将一只同伴蝙蝠放入飞行室时，他发现被监测的蝙蝠具有“社交位置细胞”，可以跟踪同伴的位置。他曾想象过，这种细胞一定存在于大脑的某个地方——蝙蝠显然需要知道它们的同伴蝙蝠以及它们的捕食者在哪里——但没有想到它们必然会出现在海马体内部。他现在正在监测两只或三只蝙蝠的大脑如何记录多达十只同伴蝙蝠在大型飞行室中共同生活几个月的社交互动。
但是 Ulanovsky 最迫切的问题是，在飞行室外，在更自然的活动中，这组导航细胞将如何发挥作用。不可能监测野生蝙蝠的位置——摄像头毫无用处，因为蝙蝠的活动范围太大了，而 GPS 也无法提供足够高的分辨率——因此 Ulanovsky 认为人工隧道是最佳选择。
当蝙蝠飞过 200 米长的隧道时，他可以使用蝙蝠本身的一个微型信号设备以及放置在结构外部间隔处的 15 个天线来拾取其无线电传输，从而监测其确切位置。每个天线通过 Wi-Fi 将其计算出的与信号标签的距离发送到隧道入口处的工作站，在那里重建蝙蝠的完整 3D 运动。整个装置的建造成本约为 90 万以色列谢克尔（25 万美元）。
从蝙蝠的角度来看，在隧道中拍打翅膀比晚上 15 公里远距离飞往遥远的果树要容易得多。但是 Ulanovsky 的团队试图重现大脑用作导航辅助的一些特征。研究生 Tamir Eliav 收集了各种物体，并将它们间隔地散布在隧道沿线，供蝙蝠用作其内部地图中的固定点。沿着隧道长度行走，在昏暗的 LED 灯带的微弱光芒中，经过一个旧的抽屉柜和一个生锈的自行车架，感觉就像置身于艺术装置中。
自 2016 年 3 月首次飞行以来，Ulanovsky 和他的学生已经收集了来自不同蝙蝠的 200 多个神经元的数据。这些早期数据暗示了有趣的见解。例如，Ulanovsky 发现单个细胞会在小区域的一个位置放电，也会在大区域的完全不同的位置放电，这表明位置细胞可能代表多个空间尺度，而不仅仅是一个特定尺度。研究人员在小型围栏的实验中未能发现这种模式。Ulanovsky 需要更多数据来证实这一点，但这将符合一些理论家的预测。“如果位置细胞都具有小型实验室大小的位置场，那么海马区域将没有足够的神经元来单独覆盖蝙蝠行进的巨大距离，”Ulanovsky 说，“因此，一些位置细胞对多个尺度做出反应是有道理的。”
隧道视野
这促使他设计一个更大更好的隧道。今年早些时候，一位私人赞助商提供了建造一条公里长隧道所需 900 万谢克尔中的一半资金，这条隧道具有更密集定位的有线天线。这将允许测量更大的位置场，并具有更精确的 3D 定位。这条隧道将有一个 15 米的侧分支，以使科学家能够研究相同的神经元如何响应短途和长途飞行，以及大脑如何将这两个尺度拼接在一起。空调将允许实验在炎热的夏季持续进行。
Angelaki 说，隧道及其曾经野生的蝙蝠代表了现实世界和实验室之间有用的中间地带，Angelaki 研究小鼠和猴子大脑中的空间导航和决策。
“像我这样的行为神经科学家越来越意识到，远离过度训练的实验动物大脑有多么重要，”她说。在典型的实验室实验中，动物接受非常具体、通常是不自然的任务的训练。“这可能与该动物进化出大脑连接以优化野外觅食的方式无关，”她说。
与世界各地的其他人一样，Angelaki 的实验室也开始使用神经记录器来监测更自然的啮齿动物行为，例如在它们的围栏中散落食物以进行觅食。她预测，越来越多的研究人员将开始在设置实验时关注自然世界。“在未来五年左右的时间里，结果将开始出现，神经科学实践将发生重大变化，”她说。
然而，正如 Moser 指出的那样，Ulanovsky 的蝙蝠还没有做任何像在野外寻找果树那样聪明的事情。“上下飞行隧道不需要太多思考，”他说。因此，Ulanovsky 正在酝酿一个更大的读心术野心。他正在寻求资金建造一个宽 40 米、长 60 米的迷宫——略小于足球场的一半大小——以测试蝙蝠大脑如何代表更复杂的环境，然后计划并做出关于如何导航的决策。
迷宫将由相互连接的隧道组成，蝙蝠在其中并不总是能够看到它的目标（通常是香蕉片等食物奖励）。相反，它将不得不依靠其认知地图中的记忆。Ulanovsky 脑海中有一系列越来越复杂的实验——例如，设置多个目标，或突然阻止蝙蝠记住的路径。他对蝙蝠如何在多个目标之间进行选择、重新计算路径或当蝙蝠迷路时细胞如何反应有疑问。“大脑中的向量是否开始疯狂旋转？” 他想知道。“这些都是我们没有答案的迷人问题。”
蝙蝠是乐于助人的研究对象。在隧道中状态良好的一天，一只蝙蝠可以翱翔和盘旋数千米，然后休息一下吃它的香蕉。“它们是被误解的生物，”Ulanovsky 说，他站在隧道尽头，用明显的温柔目光凝视着一只刚刚降落的蝙蝠。“它们将帮助科学。”
本文经许可转载，并于 2018 年 7 月 11 日首次发表 。