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當一隻使用回聲定位的蝙蝠用聲納束鎖定昆蟲後，即使接收到來自其他物體的眾多回聲——樹葉、藤蔓等等，它也能持續追蹤獵物。它是如何將從目標反射回來的回聲與從周圍雜波反射回來的回聲區分開來的，尤其是在這些回聲同時到達蝙蝠時？
根據一項關於棕蝠回聲定位的新研究（Eptesicus fuscus），關鍵在於蝙蝠聲納束中的物體會產生不同特性的回聲，這取決於它們在聲束中的位置。蝙蝠可以專注於來自聲束中心的回聲，那裡是它們的目標所在，而忽略來自外圍雜波的回聲。這項研究發表在7月29日出版的《科學》雜誌上。
這種區分之所以成為可能，是因為蝙蝠的聲納脈衝具有兩個不同的組成部分，或者說是諧波，位於不同的頻率水平。較高頻率的諧波形成比廣泛的低諧波更窄的波束，因此中心目標接收並反射大致相等的兩種諧波。另一方面，非目標物體落在高諧波的較窄波束之外，因此反射的低頻聲音比例更高。諧波結構還有助於將昆蟲目標與背景反射隔離——較高頻率的聲音在空氣中衰減得更快，因此當從遠處物體反射回來時，高諧波返回到蝙蝠的強度會更弱。
兩種諧波的反射混合物使蝙蝠能夠專注於其目標——完整返回兩種諧波的回聲。“這不是它們主動做的事情，它實際上更多地與它們的聽覺系統如何感知不同種類的回聲有關，”主要研究作者瑪麗·貝茨說，她最近獲得了布朗大學的博士學位，現在正在追求成為一名科學作家的職業。（貝茨過去曾為《大眾科學》撰稿。）“來自遠處或側面的回聲不會被很好地感知，也不會像正在追蹤的目標那樣造成太多幹擾，”她說。
貝茨和她的合著者，布朗大學的詹姆斯·西蒙斯以及第比利斯喬治亞技術大學控制論研究所的滕吉茲·佐里科夫，使用了一個實驗裝置，將一隻活蝙蝠放在一個Y形平臺的腳下。蝙蝠經過訓練，可以對來自平臺一個臂的目標回聲做出反應，並避開來自另一個臂的“雜波”回聲。靠近蝙蝠的麥克風和位於Y形平臺末端的揚聲器可以用來操縱回聲，可以透過濾除一種或另一種諧波，或者透過人為地延遲一種諧波相對於另一種諧波的回聲。
透過這樣做，研究人員可以分離出諧波結構在蝙蝠將目標與雜波分離中的重要性。“它實際上是在觀察它發出的聲音的形狀以及它接收到的回聲的形狀，”貝茨說。
研究人員還測試了諧波如何影響蝙蝠訊號處理機制中的一個方面，即幅度-延遲權衡。棕蝠中處理回聲定位訊號的聽覺神經元對減弱的回聲反應更慢。“當回聲以較低的幅度返回時，神經元放電的延遲會增加，”貝茨說。在雙諧波啁啾的情況下，當單個回聲包含具有不同幅度的兩個諧波時，幅度-延遲權衡就會發揮作用——例如，當雜波物體返回具有減弱的高諧波的回聲時。實驗表明，對於此類聲音的幅度-延遲權衡會阻礙蝙蝠的深度感知，有效地使蝙蝠的反射物體聲納影像失焦。換句話說，諧波使蝙蝠能夠產生目標物體的聚焦聲納影像和周圍雜波的失焦影像。
這種效果與人類的中央視覺和周邊視覺之間的差異有些相似。“這項研究表明，蝙蝠感知到的聲納影像在中心軸線上最清晰，而外圍的物體可能會模糊，”馬里蘭大學帕克分校研究蝙蝠回聲定位的神經科學家辛西婭·莫斯說。她指出最近發表在《自然神經科學》上的一篇論文，該論文報告了貓頭鷹聲音定位的類似效果，這有助於鳥類追蹤獵物。（《大眾科學》是自然出版集團的一部分。）根據該研究，貓頭鷹可以準確地追蹤沿視線的聲音來源，但代價是犧牲對外圍聲音的感知。“這可能是一種跨物種和跨模態的常見感知策略，”莫斯說。