在以色列雷霍沃特一片被太陽炙烤的土地上，兩位神經科學家凝視著他們自己設計的 200 米長隧道的黑暗深處。蛇形結構的織物面板在熱浪中閃爍，而在內部，一個研究物件正在昏暗的環境中導航。最終，一隻蝙蝠從黑暗中衝出，表演了一個空中後空翻，倒掛在隧道的入口處。
研究負責人 Nachum Ulanovsky 深情地看著這隻生物，他的研究生遞給它一塊香蕉——這是對它剛剛為他們最新的大腦導航研究新增寶貴資料的獎勵。
絕大多數探索大腦導航的實驗都是在實驗室的限制範圍內進行的，使用的是陸地上的大鼠和小鼠。Ulanovsky 打破了這一慣例。他在魏茨曼科學研究所一塊廢棄的土地上建造了飛行隧道——這是計劃中的幾個競技場中的第一個——因為他想了解哺乳動物的大腦如何在更自然的環境中導航。特別是，他想知道大腦如何處理第三維度。
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Ulanovsky 於 2016 年建造的這條隧道已經證明了其科學價值。蝙蝠也是如此。它們幫助 Ulanovsky 發現了導航複雜編碼的新方面——導航是一項對生存至關重要的大腦基本功能。他發現了一種新的細胞型別，負責蝙蝠的 3D 指南針，以及其他細胞，這些細胞跟蹤其他蝙蝠在環境中的位置。這是一個熱門的研究領域——導航研究人員獲得了 2014 年諾貝爾生理學或醫學獎，並且該領域在每次大型神經科學會議上都越來越突出。
“Nachum 的大膽令人印象深刻，”挪威特隆赫姆卡夫利系統神經科學研究所的 Edvard Moser 說，他是 2014 年諾貝爾獎獲得者之一。“而且它得到了回報——他的方法允許解決重要的新問題。”
對於那些在實驗室中從高度簡化的行為中學習到極限的大腦科學家來說，Ulanovsky 是“自然神經科學”的先驅。多年來，他的競技場和隧道變得越來越大、越來越複雜，並且越來越不像人工實驗室環境。接下來是一個巨大的迷宮，這將使他的團隊能夠提出更高階的問題，關於大腦如何在飛行中應對決策——例如轉向哪個方向。“如果我們想真正瞭解大腦是如何工作的，我們需要研究動物執行更自然的任務，”德克薩斯州休斯頓貝勒醫學院的神經科學家 Dora Angelaki 說。“我們中越來越多的人終於開始意識到這一點。”
為科學武裝
當 Ulanovsky 於 2007 年在魏茨曼研究所開設他的實驗室時，他正在完成他自己的環形飛行路徑。他的家人於 1973 年從莫斯科移民到以色列，當時他只有四個月大，並在雷霍沃特定居。小時候，Ulanovsky 在魏茨曼的亞熱帶花園裡玩耍，並參加為當地兒童和青少年舉辦的科學活動。
一旦年滿 18 歲，大多數身體健康的以色列人都會參加義務兵役。但是 Ulanovsky 不想在 16 歲高中畢業後失去學術勢頭，因此他報名參加了特拉維夫大學為期三年的物理課程——即使這意味著他將推遲服兵役，並因此服役更長時間。
他的服役證明是有成效的。除了接受一般的軍事訓練外，由於他的物理學背景，他還被安排在一個研發部門。在五年多的時間裡，他學習了設計高科技儀器和程式設計等技術技能，這些技能後來被證明在為他的蝙蝠設計競技場和感測器方面非常寶貴。軍隊允許他休假去學習課程，以支援他對生物學日益增長的興趣。他離開軍隊時決心成為一名神經科學家，並在耶路撒冷希伯來大學開始了博士學位，研究貓大腦如何處理聽覺訊號。
他發現聽覺神經元有自己的記憶型別，並立即沉浸在大量的記憶文獻中，在那裡他發現了導航的重疊領域（動物必須記住它們去過哪裡才能導航，記憶和導航在同一大腦區域處理並非偶然）。該領域主要由對地面大鼠和小鼠的研究主導，它們在實驗室的小盒子周圍快速移動時，它們的導航體驗相對容易測量。但是，不同動物在垂直移動——游泳、爬樹或飛行——時如何感知世界的問題尚未得到認真解決。Ulanovsky 認為，為了更全面地研究大腦複雜的導航程式碼，他需要一種路線查詢體驗主要為 3D 的哺乳動物，這使他想到了唯一的飛行哺乳動物：蝙蝠。
他加入了馬里蘭大學帕克分校的蝙蝠實驗室，以瞭解更多關於這些生物的資訊。他發現了幾處與齧齒動物導航模型的相似之處，發現蝙蝠也使用特殊細胞來四處走動。到 2007 年，Ulanovsky 擁有了自己的蝙蝠實驗室，並在魏茨曼獲得了終身教職。
Ulanovsky 是一個沉著冷靜的人，但當他談論蝙蝠時，他的平靜可能會動搖。他的聲音會提高几個分貝，臉上也會容光煥發。“在西方，人們害怕夜行動物——在好萊塢電影中，當女主角走進一棟黑暗的建築物，蝙蝠衝出來時，你知道會發生不好的事情。” 他說，這種恐懼是錯位的。“在中國，蝙蝠被認為是吉祥的象徵。”
太空漫遊
自從 20 世紀 70 年代以來，神經科學家一直對大腦如何編碼其空間環境著迷，當時倫敦大學學院的約翰·奧基夫發現，大鼠大腦有一種巧妙的方法來知道動物在哪裡。當他將電極放置在大腦中稱為海馬體的區域時，奧基夫發現神經元僅在老鼠位於其圍欄中的特定位置時才會放電，從而建立了一種認知地圖。他稱它們為“位置細胞”。
將近三十年後，卡夫利研究所的 Edvard Moser 和 May-Britt Moser 也在附近的內嗅皮層中發現了另一種尋路細胞：網格細胞，它不僅在一個位置放電，而且在排列成六邊形的多個點放電。這些細胞構成了一種大腦程式碼，使動物能夠跟蹤其在空間中的相對位置，就像一個微小的全球定位系統 (GPS)。莫澤夫婦與奧基夫分享了 2014 年諾貝爾獎；他們和其他科學家還在海馬區域發現了其他型別的導航細胞，包括那些響應頭部方向或圍欄牆壁等邊界而放電的細胞。
幾乎所有這些發現都來自大鼠：除了比如說，抬起後腿嗅探或意外地從架子上掉下來之外，它們的生活都在水平面上進行。一項富有想象力的嘗試是為了解決這個問題，在 1998 年 NASA 太空梭飛行期間，在失重條件下監測植入電極的大鼠，但結果並不確定。
對於 Ulanovsky 來說，蝙蝠的優點不僅限於動物適合理解 3D 地圖繪製：他想與野生動物合作，以更好地瞭解自然行為。他開始認為，高度控制的實驗室實驗對於理解神經元的一些基本特性至關重要，但需要進行現實檢驗。“我們對所有這些細胞如何協同工作以繪製動物在野外棲息的環境地圖知之甚少，”他說。因此，他推斷，從野外捕獲並在較少受限的環境中飛行的蝙蝠將是理想的研究物件。此外，Ulanovsky 確信，在實驗室齧齒動物以外的東西中研究該系統將有助於確定哪些行為方面可以跨物種。
Edvard Moser 同意研究多種物種的相同技能非常重要。“瞭解解決同一問題的不同方法將有助於我們從廣義上了解包括人腦在內的大腦是如何工作的。”
蝙蝠洞
在 Ulanovsky 將他的想法付諸實踐之前，他必須找到合適的蝙蝠種類，檢查它如何探索其自然環境，以及最具挑戰性的是，設計儀器來收集來自蝙蝠及其大腦的資料。
通常，透過植入電極拾取在小圍欄周圍奔跑的大鼠大腦的資料，並使用電纜傳輸到計算機。“顯然，這在飛行的蝙蝠中行不通，”Ulanovsky 說。他著手設計無線 GPS 和電生理裝置，這些裝置足夠小，可以供蝙蝠攜帶。他說，這是一項技術挑戰，如果沒有他在儀器和軟體方面的軍隊訓練，他可能不會成功。
他的 GPS 記錄器是一個 5 平方釐米的裝置，重量為 8 克。他的神經記錄器，帶有 16 個細長的電極——每個電極都比人的頭髮細——重量僅為 7 克。它足夠靈敏，可以記錄幾個單獨的神經元放電，並且可以儲存數小時的資料。
儘管這些記錄器很小，但對於許多蝙蝠來說，它們還是太重了——包括精緻的 20 克蝙蝠 Eptesicus fuscus，諷刺的是，它通常被稱為棕色大蝙蝠，也是 Ulanovsky 在馬里蘭州時研究的物種。相反，他決定使用埃及果蝠（Rousettus aegyptiacus）。它的體型是前者的十倍，接近普通實驗大鼠的大小，並且在以色列很常見。“這是我小型化方法的低科技部分——選擇更大的蝙蝠，”Ulanovsky 說。
有些蝙蝠可能很兇猛，但他說，埃及果蝠“很容易馴服，而且非常適合合作”。每年幾次，他都會拿起一張巨大的網，開始蝙蝠捕捉之旅，從居住在廢棄建築物或猶太山丘洞穴中的蝙蝠群中收集樣本。
他最早的實驗之一始於 2008 年，旨在找出他的蝙蝠在放任自流時選擇飛行多遠。他說，關於蝙蝠的自然行為知之甚少，因此他需要收集一些基本資訊。他為 35 只蝙蝠配備了 GPS 記錄器，發現它們每晚飛行 15 公里或更遠以尋找晚餐——記住特定結果樹木繁茂的確切位置。
他還在他的實驗室裡建造了飛行室。最大的一個約為 6 × 5 × 3 米——接近壁球場的一半大小——並配備了攝像頭、供蝙蝠懸掛的著陸球和餵食站，它們可以在那裡被水果誘惑。房間外層包裹著金屬和一層黑色吸音泡沫，以遮蔽外部噪音和電氣訊號，非常安靜。照明可以從昏暗調整到非常昏暗。
在隔壁的控制室裡，蝙蝠顯示為在螢幕上移動的小光點。每隻蝙蝠都攜帶一個紅色發光二極體 (LED)，攝像頭會跟蹤這些二極體，因為動物會在房間裡飛來飛去。它們的腦活動透過神經記錄器進行監控，該記錄器的電極透過手術植入海馬體，其外部硬體用微小的螺釘固定在頭骨上。攝像頭和記錄器使 Ulanovsky 能夠將神經元的放電與蝙蝠在空間中的確切位置聯絡起來。
在這種設定中，他已經能夠揭示典型蝙蝠導航神經元的 3D 領地。例如，在老鼠身上測量的位置細胞場是特定大小的扁平圓形，但在飛行蝙蝠中，位置細胞場幾乎是球形的，沒有顯示出一些老鼠實驗預測的垂直拉長。他研究出頭部方向細胞如何作為 3D 指南針運作，並發現了另一種導航細胞——長期以來一直被尋找的向量細胞——它可以跟蹤到特定目標的角度和距離。一系列實驗幫助駁斥了一個曾經流行的來自老鼠研究的理論，該理論認為某種型別的大腦振盪會產生網格狀神經地圖；結果表明，振盪在蝙蝠中不存在，因此對於此類地圖構建不是必需的。
他還探索了蝙蝠社交世界的影響。當他將一隻同伴蝙蝠放入飛行室時，他發現被監測的蝙蝠具有“社交位置細胞”，可以跟蹤同伴的位置。他曾想象過，這種細胞一定存在於大腦的某個地方——蝙蝠顯然需要知道它們的同伴蝙蝠以及它們的捕食者在哪裡——但沒有想到它們必然會出現在海馬體內部。他現在正在監測兩隻或三隻蝙蝠的大腦如何記錄多達十隻同伴蝙蝠在大型飛行室中共同生活幾個月的社互動動。
但是 Ulanovsky 最迫切的問題是，在飛行室外，在更自然的活動中，這組導航細胞將如何發揮作用。不可能監測野生蝙蝠的位置——攝像頭毫無用處，因為蝙蝠的活動範圍太大了，而 GPS 也無法提供足夠高的解析度——因此 Ulanovsky 認為人工隧道是最佳選擇。
當蝙蝠飛過 200 米長的隧道時，他可以使用蝙蝠本身的一個微型訊號裝置以及放置在結構外部間隔處的 15 個天線來拾取其無線電傳輸，從而監測其確切位置。每個天線透過 Wi-Fi 將其計算出的與訊號標籤的距離傳送到隧道入口處的工作站，在那裡重建蝙蝠的完整 3D 運動。整個裝置的建造成本約為 90 萬以色列謝克爾（25 萬美元）。
從蝙蝠的角度來看，在隧道中拍打翅膀比晚上 15 公里遠距離飛往遙遠的果樹要容易得多。但是 Ulanovsky 的團隊試圖重現大腦用作導航輔助的一些特徵。研究生 Tamir Eliav 收集了各種物體，並將它們間隔地散佈在隧道沿線，供蝙蝠用作其內部地圖中的固定點。沿著隧道長度行走，在昏暗的 LED 燈帶的微弱光芒中，經過一箇舊的抽屜櫃和一個生鏽的腳踏車架，感覺就像置身於藝術裝置中。
自 2016 年 3 月首次飛行以來，Ulanovsky 和他的學生已經收集了來自不同蝙蝠的 200 多個神經元的資料。這些早期資料暗示了有趣的見解。例如，Ulanovsky 發現單個細胞會在小區域的一個位置放電，也會在大區域的完全不同的位置放電，這表明位置細胞可能代表多個空間尺度，而不僅僅是一個特定尺度。研究人員在小型圍欄的實驗中未能發現這種模式。Ulanovsky 需要更多資料來證實這一點，但這將符合一些理論家的預測。“如果位置細胞都具有小型實驗室大小的位置場，那麼海馬區域將沒有足夠的神經元來單獨覆蓋蝙蝠行進的巨大距離，”Ulanovsky 說，“因此，一些位置細胞對多個尺度做出反應是有道理的。”
隧道視野
這促使他設計一個更大更好的隧道。今年早些時候，一位私人贊助商提供了建造一條公里長隧道所需 900 萬謝克爾中的一半資金，這條隧道具有更密集定位的有線天線。這將允許測量更大的位置場，並具有更精確的 3D 定位。這條隧道將有一個 15 米的側分支，以使科學家能夠研究相同的神經元如何響應短途和長途飛行，以及大腦如何將這兩個尺度拼接在一起。空調將允許實驗在炎熱的夏季持續進行。
Angelaki 說，隧道及其曾經野生的蝙蝠代表了現實世界和實驗室之間有用的中間地帶，Angelaki 研究小鼠和猴子大腦中的空間導航和決策。
“像我這樣的行為神經科學家越來越意識到，遠離過度訓練的實驗動物大腦有多麼重要，”她說。在典型的實驗室實驗中，動物接受非常具體、通常是不自然的任務的訓練。“這可能與該動物進化出大腦連線以最佳化野外覓食的方式無關，”她說。
與世界各地的其他人一樣，Angelaki 的實驗室也開始使用神經記錄器來監測更自然的齧齒動物行為，例如在它們的圍欄中散落食物以進行覓食。她預測，越來越多的研究人員將開始在設定實驗時關注自然世界。“在未來五年左右的時間裡，結果將開始出現，神經科學實踐將發生重大變化，”她說。
然而，正如 Moser 指出的那樣，Ulanovsky 的蝙蝠還沒有做任何像在野外尋找果樹那樣聰明的事情。“上下飛行隧道不需要太多思考，”他說。因此，Ulanovsky 正在醞釀一個更大的讀心術野心。他正在尋求資金建造一個寬 40 米、長 60 米的迷宮——略小於足球場的一半大小——以測試蝙蝠大腦如何代表更復雜的環境，然後計劃並做出關於如何導航的決策。
迷宮將由相互連線的隧道組成，蝙蝠在其中並不總是能夠看到它的目標（通常是香蕉片等食物獎勵）。相反，它將不得不依靠其認知地圖中的記憶。Ulanovsky 腦海中有一系列越來越複雜的實驗——例如，設定多個目標，或突然阻止蝙蝠記住的路徑。他對蝙蝠如何在多個目標之間進行選擇、重新計算路徑或當蝙蝠迷路時細胞如何反應有疑問。“大腦中的向量是否開始瘋狂旋轉？” 他想知道。“這些都是我們沒有答案的迷人問題。”
蝙蝠是樂於助人的研究物件。在隧道中狀態良好的一天，一隻蝙蝠可以翱翔和盤旋數千米，然後休息一下吃它的香蕉。“它們是被誤解的生物，”Ulanovsky 說，他站在隧道盡頭，用明顯的溫柔目光凝視著一隻剛剛降落的蝙蝠。“它們將幫助科學。”
本文經許可轉載，並於 2018 年 7 月 11 日首次發表 。