大脑如何导航?科学家用蝙蝠在设计好的隧道里找答案

大脑如何导航?科学家用蝙蝠在设计好的隧道里找答案
2018年07月13日 07:38 澎湃新闻

  在以色列西岸城市雷霍沃特,一名神经科学家正窥视着自己设计的一条200米长的隧道。在炎热的天气里,蛇形结构隧道的织物面板闪烁着微光,而昏暗的隧道里面,一个研究对象正在导航。最终,在黑暗中窜出一只蝙蝠,它来个了后空翻,然后倒挂在隧道的入口处。

  Nachum Ulanovsky和他的“好朋友”蝙蝠。

  研究负责人、“以色列科技研发大脑”魏茨曼科学研究所的科学家Nachum Ulanovsky,深情地看着这只蝙蝠,他的研究生还为这只蝙蝠提供了一根香蕉。这是一份奖励,这只蝙蝠刚刚为他们的最新研究——大脑如何导航,提供了宝贵数据。

  7月11日,《自然》(Nature)官网报道了Nachum的大脑导航研究故事,这其中包括其自主设计隧道、传感器,更透露出这位科学家和他的研究对象蝙蝠之间的“深厚感情”。

  在Nachum之前,绝大多数探索大脑导航的实验都是在实验室内进行,使用的是大鼠和小鼠。Nachum打破了惯例,他在魏茨曼科学研究所一块废弃的地块上建造了这个飞行隧道,这也是他计划中的第一个场所。他想知道哺乳动物的大脑在一个更贴近自然的环境中是如何导航的,尤其是,大脑是如何处理三维的。

  值得一提的是,大脑导航也是一个热门研究领域。20世纪70年代,神经科学家们就着迷于大脑如何对其空间环境记忆。1971年,伦敦大学学院的John O’Keefe率先在小鼠体内发现,当小鼠经过特定的位置时,其海马内的一部分细胞处于激活状态;经过其他位置时,另一部分脑细胞开始活跃。由此,人们意识到小鼠脑中不同的位置细胞对应着其活动区域中不同的位置,从而创造出了认知地图。他称它们为“位置细胞”(place cell)。

  30年之后,挪威Kavli神经科学研究所的Edvard Moser和May-Britt Moser夫妇,在海马体附近的内嗅皮层中发现了另一种与导航有关的细胞,即网格细胞(grid cell)。小鼠通过网格细胞在大脑中形成了坐标系,就像一个微小的全球定位系统(GPS)一样,使精确定位和路径导航成为了可能。

  上述三人最终分享了2014年的诺贝尔生理学和医学奖,获奖理由即“发现构成大脑定位系统的细胞”。

  服兵役时习得硬件研发技能

  1973年,Nachum的家人从莫斯科移民到以色列,最终在雷霍沃特定居,当时他只有四个月大。在孩提时代,Nachum就在魏茨曼的亚热带花园中玩耍,参加为当地的儿童和年轻人举办的科学活动。

  在以色列,一旦年满18岁、身体健康,就会强制服兵役。但是,当Nachum16岁从高中毕业时,他并不想中断学习,所以他在特拉维夫大学读了一门为期三年的物理课程。尽管这意味着他要晚些时候才开始服兵役,并且服役时间将更长。

  不过,随后的服役也为Nachum的科学研究提供了宝贵价值。除了接受一般的军事训练外,Nachum因为自己的物理背景进入了军事研发部门。在长达5年多的时间里,他学会了一些技术技能,比如设计高科技仪器和编程,这些技术后来用在了他为蝙蝠亲自设计隧道和传感器。军队还允许他请假去参加他当时非常有兴趣的生物学课程。

  Nachum离开军队之后一心想成为一名神经学家,并在耶路撒冷的希伯来大学获得博士学位,当时研究猫的大脑如何处理听觉信号。

  他发现听觉神经元都有自己的记忆方式,随后阅读了大量记忆相关的文献,通过文献他聚焦到了导航领域。动物必须记住它们曾经去过的地方,记忆和导航处理发生在大脑的同一个区域也不是偶然。

  导航领域的研究此前主要集中在地面活动的大鼠和小鼠身上,它们的导航经验相对容易测量,因为它们总是被放置在实验室的小盒子里到处跑。但是,不同的动物在游泳、爬树或飞行时如何分别感知世界,这一点并没有被深入研究。

  对于大脑科学家来说,研究在高度简化实验室中会受到限制,Nachum则是“自然神经科学”的先驱。Nachum决定,要更全面地研究大脑复杂的导航代码,他需要一种哺乳动物,这种哺乳动物的路线寻找经验主要是三维的。最终他瞄准了唯一的飞行哺乳动物:蝙蝠。

  他随后加入了马里兰大学帕克分校的蝙蝠实验室,了解更多关于蝙蝠的信息。2007年,Nachum在魏茨曼科学研究所拥有了自己的蝙蝠实验室和终身职位。

  合适的蝙蝠

  对于Nachum来说,蝙蝠的优点不仅仅是理解三维地图。

  他想和野生动物一起工作,以建立一个更好的自然行为的全貌。他开始思考,高度控制的实验室内的实验,虽然对理解神经元的一些基本特性至关重要,但需要在现实中进行核查。他说,“动物在野外的时候,这些细胞如何协同工作来绘制环境,我们对这些知之甚少。”

  他推断,野外捕获的蝙蝠,在不那么受约束的环境中飞行,将是理想的实验对象。此外,Nachum还坚信,用实验室的啮齿动物以外的东西来研究导航系统,将有助于识别不同物种之间的行为。

  Edvard Moser也赞成这一点,在不同物种中研究同样的技能是很重要的。“知道解决同样问题的不同方法,将有助于我们从总体上了解大脑,包括人类大脑是如何工作的。”

  在Nachum可以把他的想法付诸行动之前,他必须找到合适的蝙蝠,看看它是如何探索自然环境的。其中最具挑战性的是,设计能从蝙蝠和它的大脑中收集数据的仪器。

  此前在大鼠大脑的数据通常是靠植入电极获得,随后传输到电脑上。“很明显,这在飞行的蝙蝠中是行不通的。”Nachum说。他着手设计无线GPS和电生理学设备,这些设备的体积必须小到足以让蝙蝠携带。他说,这是一个技术挑战,如果没有他在仪表和软件方面的军事训练,他可能不会成功。

  他的GPS记录器是一个5平方厘米的装置,重量仅8克。他的神经记录器也仅7克重,有16个细长的电极,每个都比人的头发还细。它足够灵敏,可以同时记录多个神经元放电,而且它可以储存几个小时的数据。

  神经记录器

  尽管它们很小,但对许多蝙蝠来说仍然太重无法携带,其中就包括重达20克的“大棕蝠”,这也是Nachum在马里兰大学帕克分校时研究的“老朋友”。最终,他决定使用埃及的果蝠。它的体型是普通实验室大鼠的10倍,在以色列也很常见。Nachum说,“这是我的微型化方法中技术含量较低的部分——选择一个更大的蝙蝠。”

  更贴近自然的蝙蝠洞

  他最早的实验之一是在2008年开始,目的是找出他的蝙蝠在离开自己的栖息地后选择飞行的距离。他说,人们对蝙蝠的自然行为知之甚少,所以他需要收集一些基本信息。他给35只蝙蝠配备了GPS记录器,发现它们每晚飞15公里或更远去寻找晚餐,它们记住了一棵硕果累累的树的确切位置。

  他还曾他的实验室里建造了飞行室。空间最大的大概有6米长、5米宽、3米高,接近一个壁球场的一半大小,而且还配备了摄像机,为蝙蝠提供可以悬挂的球,并设计了一个喂食的位置,通常会用水果来引诱它们。

  飞行室被金属和一层黑色的隔音泡沫覆盖,免受外部噪音和电子信号的干扰,室内保持寂静。灯光可以从昏暗调到非常暗。

  在隔壁的控制室里,蝙蝠以微小的光点在屏幕上移动。每只蝙蝠都携带一个红色发光二极管(LED),当动物在飞行室里飞行的时候,它们会被摄像机跟踪。大脑活动通过神经记录器进行监测,这个神经记录器的电极被植入到蝙蝠的海马体,其外部硬件则用小螺丝钉固定在头骨上。摄像机和记录器使Nachum能够将神经元放电和蝙蝠在空间中的精确位置关联起来。

  但Nachum想解决的问题是,在更贴近自然的行为中,导航细胞将如何在飞行室外执行任务。要监测野生蝙蝠的位置是不可能的,摄像机是没有用的,蝙蝠的活动范围太大,而GPS也不能给出足够高的分辨率。因此,Nachum认为人工隧道是最好的选择。

  当一只蝙蝠飞过200米长的隧道时,他用蝙蝠身上的一个微小的信号装置,间隔放置在隧道外部、可以接收无线电信号的15根天线,来监测它的确切位置。每个天线通过Wi-Fi将其计算的距离发送到隧道入口的工作站,在那里,蝙蝠完整的三维运动被重建。整套装置的建造成本约为90万以色列谢克尔(25万美元)。

  Nachum走在隧道里。

  自2016年3月的蝙蝠在这条200米的隧道里首次飞行以来,Nachum和他的学生们收集了来自不同蝙蝠的200多个神经元的数据。这些早期的数据暗示了一些有趣的想法,例如,蝙蝠帮助Nachum发现了负责蝙蝠三维导航的一种新的细胞类型,以及能追踪其他蝙蝠位置的细胞。

  “Nachum的大胆令人印象深刻。”上述诺奖获得者之一、挪威Kavli系统神经科学研究所的Edvard Moser表示, “这是有回报的——他的方法会让重要的新问题得到解决。”

  “如果我们想要真正了解大脑是如何工作的,我们就需要研究能做更多自然任务的动物。”美国最杰出的医学院之一贝勒医学院的神经系统科学家Dora Angelaki说。

  更复杂的迷宫飞行

  今年早些时候,一个私人赞助商提供了450万谢克尔,这是Nachum当时所需资金的一半。他要建造了一个1公里长隧道,拥有更密集的天线。这将允许测量更大的区域,更精确的三维定位。

  这条隧道将有一个15米长的分支,让科学家们研究相同的神经元对短途飞行和长途飞行的反应,以及大脑如何将这两种距离联系在一起。隧道内还安置了空调,酷热的夏天也能进行实验。

  在大鼠和猴子的大脑中研究空间导航和决策的Angelaki表示,“这条隧道和曾经是野生的蝙蝠代表了现实环境和实验室之间的一个有用的折中方案。”

  Angelaki说,“像我这样的行为神经科学家越来越意识到,远离训练有素的实验室动物的大脑是多么的重要。”在典型的实验室实验中,动物被训练成一种非常具体的,通常是不自然的任务。她说,“这可能与动物如何进化出能优化野外觅食的大脑连接完全没有关系。”

  然而, Edvard Moser同时指出,Nachum的蝙蝠毕竟没有像在野外能找到一棵果树的野生蝙蝠那样聪明。他说,“在隧道里飞行和停下并不需要太多的思考。”

  因此,Nachum正在为一个40米宽、60米长的迷宫寻求资金,这个迷宫比足球场的一半略小一些,用来测试蝙蝠的大脑是如何标记更复杂的环境,然后又如何计划和决定导航。

  迷宫将由相互连接的隧道组成。蝙蝠不能轻易看到它的目标,通常是一种食物,比如一根香蕉。相反,它将不得不依赖于它的认知地图上的记忆。Nachum有一系列越来越复杂的实验设想,例如,设定多个目标,或者突然阻断了蝙蝠已经记下的路径。

  蝙蝠如何在几个目标之间做出选择,或者重新计算一条路径,或者当蝙蝠迷失方向时细胞如何反应,Nachum 对这些问题都保持好奇。“大脑中的矢量开始疯狂旋转吗?”他怀疑,“这些都是令人着迷的问题,我们没有答案。”

  值得一提的是,Nachum是一个沉稳的人,但这肯定不是在他谈到蝙蝠的时候。谈论蝙蝠的时候,他的声音会提高好几分贝,整个人神采奕奕。

  “在西方,人们被夜晚的生物吓坏了——在好莱坞电影里,当女主角走进一幢黑暗的建筑,蝙蝠冲出来的时候,你就知道会发生什么不好的事情。”这种恐惧是错误的,Nachum说,“在中国,蝙蝠被认为是一个好兆头。”

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