Science：一窥蝙蝠的大脑，就能发现哺乳动物导航的线索

美国加州大学伯克利分校(University of California, Berkeley)神经科学家的一项新研究表明，哺乳动物大脑内置导航系统的一个关键特征可能是专注于不久的将来，而不是当前的位置。研究人员对飞行的埃及果蝠的大脑活动进行了无线跟踪，发现蝙蝠海马区神经活动更强烈地代表了未来的位置，而不是当前的位置。

　　

当你开车驶往一个繁忙的十字路口时，你可能更关注的是不久的将来你会在哪里，而不是此时此刻你在哪里。毕竟，知道你何时会到达十字路口，以及你是否需要停下来或减速以避免与过往的汽车、行人或骑自行车的人相撞，通常比知道你当前的位置重要得多。

7月8日发表在《科学》(Science)杂志网络版上的一项新研究表明，这种关注未来的能力——而不是我们当前所处的位置——可能是哺乳动物大脑内置导航系统的关键特征。

加州大学伯克利分校(University of California, Berkeley)的神经科学家无线追踪了埃及果蝠在定制飞行室内飞行时的大脑活动。当研究人员比较了蝙蝠的飞行路径和神经阅读,他们发现蝙蝠的活动的“细胞”,特殊类型的神经元负责编码动物的空间位置,通常是更紧密地与蝙蝠会在不久的将来,而不是他们在当下。

“我们想知道的是:此时此刻的神经活动在代表过去或未来的位置时，是否比实际的现在位置表现得更好?”我们发现，对于一些神经元来说，神经活动实际上在代表未来地位方面做得更好。”“这一发现表明，该区域的神经活动不仅仅代表了蝙蝠目前的位置——它暂时代表了完整的飞行轨迹。”

位于大脑中被称为海马体的位置细胞共同作用，形成了包括人类在内的多种陆地动物的先天“GPS系统”。当动物探索一个新的环境时，不同的“位置细胞”会在不同的位置激活，从而形成一个可以保存和存储的区域内部地图。

多森说:“当我在房间里走动时，如果你能接触到我海马体中的神经活动，你就能根据这种神经活动解读我在房间里的位置。”

在啮齿动物身上发现的位置细胞被授予了2014年诺贝尔生理学或医学奖(Nobel Prize in Physiology or Medicine)，其中很多基础实验都是在上世纪七八十年代进行的。然而，关于大脑的这一区域在快速运动时是如何运作的，以及它是如何表现“非局部”位置的，仍然存在许多问题。

“因为海马体与导航有关，已经有几项研究着眼于这一大脑区域的编码，并提出了这样的问题:神经活动是如何代表即将发生或过去已经发生的事情的?”该研究的高级作者，加州大学伯克利分校神经生物学和生物工程助理教授Michael Yartsev说。

Yartsev说，早期的实验无法最终回答这个问题。这可能是因为他们进行了使用相对缓慢的动物,如老鼠,,在实验围栏,将只移动一英寸或两个在第二次——也因为比较单个神经元的活动和动物的位置随着时间的推移,一英寸的一小部分的改变并不会产生巨大的差异。

然而，蝙蝠飞行速度极快。

“蝙蝠移动得非常非常快。在实验室里，它们的飞行速度约为每小时30到50公里，这是一个巨大的优势，因为在相同的几分之一秒内，老鼠可能移动几厘米，而蝙蝠可能移动几米，”Yartsev说。

为了进行实验，Yartsev和Dotson使用了无线神经记录设备来监测蝙蝠的大脑活动，当它们在一个定制的房间里自由飞行时，房间里安装了摄像机来跟踪蝙蝠的精确飞行路径。在一组实验中，当人类鼓励蝙蝠探索整个3D空间时，他们记录了蝙蝠的位置和大脑活动。在另一组实验中，这些蝙蝠单独与一组自动喂食器在房间的不同位置放置，以吸引蝙蝠四处飞行。

相比执行长戴森(当Yartsev Dotson)神经活动的时机与蝙蝠的飞行路径,他们发现当改变蝙蝠的位置在时间,通过比较蝙蝠的神经活动地点将在几百毫秒内,或在第二个——突然,神经活动与空间位置的相关性更强。

Yartsev说:“根据这些数据，你可能会认为一些神经元根本不编码空间信息，因为它们与时间零点或当前时刻的位置没有关联。”“但如果你把他们的活动与未来一秒钟的某个头寸进行比较，相关性突然变得非常明显。”

研究结果表明，定位细胞的活动并不仅仅代表当前的单一位置，而是一个延伸到不久的将来和过去的轨迹。

“我们可以想象走在走廊上，想象我们刚刚在哪里，以及我们不久将会在哪里。这种活动在大脑中是什么样子的?”Dotson说。“我们的研究结果表明，当蝙蝠在飞行时，它们的大脑不仅代表了它们所在的位置，还代表了它们在路径上的位置。”

虽然细胞和导航系统的基本组件已确定在多种哺乳动物,尚不清楚这是否能力项目路径第二个未来是独一无二的蝙蝠和快速飞行模式,或共享更多种类的动物。Yartsev说，然而，这一发现引发了一系列有趣的问题，即人类如何通过时间和空间来处理我们的运动。

因为海马体也是许多疾病的发生地，比如阿尔茨海默氏症，一个人的位置感和记忆经常被打乱，揭示这些基本的神经计算也可以让科学家更好地理解疾病相关的损伤，并帮助他们设计出更有效的治疗方法。

陆生生物可能不需要像蝙蝠那样预测遥远的未来，但即使是人类，它也可能因情况而异。如果你在走路，你可能会满足于知道前面会发生什么。但是当你开车的时候，你想知道在离你3米或更远的地方会发生什么，因为你的速度非常快。”Yartsev说。“现在我们知道蝙蝠有一些未来位置的神经表征，我们可以问:不同动物之间共有的成分是什么?人类以何种方式、在何种程度上表现出这种能力?”