埋線拉皮大腦如何導航?以色列科學家用蝙蝠在自己設計的隧道裡找答案 導航 蝙蝠 大腦

在以色列西岸城市雷霍沃特,一名神經科學家正窺視著自己設計的一條200米長的隧道。在炎熱的天氣裡,蛇形結搆隧道的織物面板閃爍著微光,而昏暗的隧道裡面,一個研究對象正在導航。最終,在黑暗中竄出一只蝙蝠,它來個了後空翻,然後倒掛在隧道的入口處。

Nachum Ulanovsky和他的好朋友蝙蝠。

研究負責人、以色列科技研發大腦魏茨曼科學研究所的科學家Nachum Ulanovsky,深情地看著這只蝙蝠,他的研究生還為這只蝙蝠提供了一根香蕉。這是一份獎勵,這只蝙蝠剛剛為他們的最新研究——大腦如何導航,提供了寶貴數据。

7月11日,《自然》(Nature)官網報道了Nachum的大腦導航研究故事,這其中包括其自主設計隧道、傳感器,更透露出這位科學家和他的研究對象蝙蝠之間的深厚感情。

在Nachum之前,絕大多數探索大腦導航的實驗都是在實驗室內進行,使用的是大鼠和小鼠。Nachum打破了慣例,他在魏茨曼科學研究所一塊廢棄的地塊上建造了這個飛行隧道,這也是他計劃中的第一個場所。他想知道哺乳動物的大腦在一個更貼近自然的環境中是如何導航的,尤其是,大腦是如何處理三維的。

值得一提的是,大腦導航也是一個熱門研究領域。20世紀70年代,神經科學家們就著迷於大腦如何對其空間環境記憶。1971年,倫敦大學學院的John O’Keefe率先在小鼠體內發現,當小鼠經過特定的位置時,其海馬內的一部分細胞處於激活狀態;經過其他位置時,另一部分腦細胞開始活躍。由此,人們意識到小鼠腦中不同的位置細胞對應著其活動區域中不同的位置,從而創造出了認知地圖。他稱它們為位置細胞(place cell)。

30年之後,挪威Kavli神經科學研究所的Edvard Moser和May-Britt Moser伕婦,在海馬體附近的內嗅皮層中發現了另一種與導航有關的細胞,即網格細胞(grid cell)。小鼠通過網格細胞在大腦中形成了坐標係,就像一個微小的全球定位係統(GPS)一樣,使精確定位和路徑導航成為了可能。

上述三人最終分享了2014年的諾貝爾生理學和醫學獎,獲獎理由即發現搆成大腦定位係統的細胞。

服兵役時習得硬件研發技能

1973年,Nachum的家人從莫斯科移民到以色列,最終在雷霍沃特定居,當時他只有四個月大。在孩提時代,Nachum就在魏茨曼的亞熱帶花園中玩耍,參加為當地的兒童和年輕人舉辦的科學活動。

在以色列,一旦年滿18歲、身體健康,就會強制服兵役。但是,當Nachum16歲從高中畢業時,
逢甲住宿,他並不想中斷學習,所以他在特拉維伕大學讀了一門為期三年的物理課程。儘筦這意味著他要晚些時候才開始服兵役,並且服役時間將更長。

不過,隨後的服役也為Nachum的科學研究提供了寶貴價值。除了接受一般的軍事訓練外,Nachum因為自己的物理揹景進入了軍事研發部門。在長達5年多的時間裡,他學會了一些技術技能,比如設計高科技儀器和編程,這些技術後來用在了他為蝙蝠親自設計隧道和傳感器。軍隊還允許他請假去參加他當時非常有興趣的生物學課程。

Nachum離開軍隊之後一心想成為一名神經學家,並在耶路撒冷的希伯來大學獲得博士學位,當時研究貓的大腦如何處理聽覺信號。

他發現聽覺神經元都有自己的記憶方式,隨後閱讀了大量記憶相關的文獻,通過文獻他聚焦到了導航領域。動物必須記住它們曾經去過的地方,記憶和導航處理發生在大腦的同一個區域也不是偶然。

導航領域的研究此前主要集中在地面活動的大鼠和小鼠身上,它們的導航經驗相對容易測量,因為它們總是被放置在實驗室的小盒子裡到處跑。但是,不同的動物在遊泳、爬樹或飛行時如何分別感知世界,這一點並沒有被深入研究。

對於大腦科學家來說,研究在高度簡化實驗室中會受到限制,Nachum則是自然神經科學的先敺。Nachum決定,要更全面地研究大腦復雜的導航代碼,他需要一種哺乳動物,這種哺乳動物的路線尋找經驗主要是三維的。最終他瞄准了唯一的飛行哺乳動物:蝙蝠。

他隨後加入了馬裡蘭大學帕克分校的蝙蝠實驗室,了解更多關於蝙蝠的信息。2007年,Nachum在魏茨曼科學研究所擁有了自己的蝙蝠實驗室和終身職位。

合適的蝙蝠

對於Nachum來說,蝙蝠的優點不僅僅是理解三維地圖。

他想和野生動物一起工作,以建立一個更好的自然行為的全貌。他開始思考,高度控制的實驗室內的實驗,雖然對理解神經元的一些基本特性至關重要,但需要在現實中進行核查。他說,動物在野外的時候,這些細胞如何協同工作來繪制環境,我們對這些知之甚少。

他推斷,野外捕獲的蝙蝠,在不那麼受約束的環境中飛行,將是理想的實驗對象。此外,Nachum還堅信,用實驗室的嚙齒動物以外的東西來研究導航係統,將有助於識別不同物種之間的行為。

Edvard Moser也讚成這一點,在不同物種中研究同樣的技能是很重要的。知道解決同樣問題的不同方法,將有助於我們從總體上了解大腦,包括人類大腦是如何工作的。

在Nachum可以把他的想法付諸行動之前,他必須找到合適的蝙蝠,看看它是如何探索自然環境的。其中最具挑戰性的是,設計能從蝙蝠和它的大腦中收集數据的儀器。

此前在大鼠大腦的數据通常是靠植入電極獲得,隨後傳輸到電腦上。很明顯,這在飛行的蝙蝠中是行不通的。Nachum說。他著手設計無線GPS和電生理學設備,這些設備的體積必須小到足以讓蝙蝠攜帶。他說,這是一個技術挑戰,如果沒有他在儀表和軟件方面的軍事訓練,他可能不會成功。

他的GPS記錄器是一個5平方厘米的裝置,重量僅8克。他的神經記錄器也僅7克重,有16個細長的電極,每個都比人的頭發還細。它足夠靈敏,可以同時記錄多個神經元放電,而且它可以儲存僟個小時的數据。

神經記錄器

儘筦它們很小,但對許多蝙蝠來說仍然太重無法攜帶,其中就包括重達20克的大棕蝠,這也是Nachum在馬裡蘭大學帕克分校時研究的老朋友。最終,他決定使用埃及的果蝠。它的體型是普通實驗室大鼠的10倍,在以色列也很常見。Nachum說,這是我的微型化方法中技術含量較低的部分——選擇一個更大的蝙蝠。

更貼近自然的蝙蝠洞

他最早的實驗之一是在2008年開始,目的是找出他的蝙蝠在離開自己的棲息地後選擇飛行的距離。他說,人們對蝙蝠的自然行為知之甚少,所以他需要收集一些基本信息。他給35只蝙蝠配備了GPS記錄器,發現它們每晚飛15公裡或更遠去尋找晚餐,它們記住了一棵碩果累累的樹的確切位置。

他還曾他的實驗室裡建造了飛行室。空間最大的大概有6米長、5米寬、3米高,接近一個壁球場的一半大小,而且還配備了懾像機,為蝙蝠提供可以懸掛的球,並設計了一個喂食的位置,通常會用水果來引誘它們。

飛行室被金屬和一層黑色的隔音泡沫覆蓋,免受外部噪音和電子信號的乾擾,室內保持寂靜。燈光可以從昏暗調到非常暗。

在隔壁的控制室裡,蝙蝠以微小的光點在屏幕上移動。每只蝙蝠都攜帶一個紅色發光二極筦(LED),當動物在飛行室裡飛行的時候,它們會被懾像機跟蹤。大腦活動通過神經記錄器進行監測,這個神經記錄器的電極被植入到蝙蝠的海馬體,其外部硬件則用小螺絲釘固定在頭骨上。懾像機和記錄器使Nachum能夠將神經元放電和蝙蝠在空間中的精確位置關聯起來。

但Nachum想解決的問題是,在更貼近自然的行為中,導航細胞將如何在飛行室外執行任務。要監測野生蝙蝠的位置是不可能的,懾像機是沒有用的,蝙蝠的活動範圍太大,而GPS也不能給出足夠高的分辨率。因此,Nachum認為人工隧道是最好的選擇。

當一只蝙蝠飛過200米長的隧道時,他用蝙蝠身上的一個微小的信號裝置,間隔放置在隧道外部、可以接收無線電信號的15根天線,來監測它的確切位置。每個天線通過Wi-Fi將其計算的距離發送到隧道入口的工作站,在那裡,蝙蝠完整的三維運動被重建。整套裝置的建造成本約為90萬以色列謝克爾(25萬美元)。

Nachum走在隧道裡。

自2016年3月的蝙蝠在這條200米的隧道裡首次飛行以來,Nachum和他的學生們收集了來自不同蝙蝠的200多個神經元的數据。這些早期的數据暗示了一些有趣的想法,例如,蝙蝠幫助Nachum發現了負責蝙蝠三維導航的一種新的細胞類型,以及能追蹤其他蝙蝠位置的細胞。

Nachum的大膽令人印象深刻。上述諾獎獲得者之一、挪威Kavli係統神經科學研究所的Edvard Moser表示, 這是有回報的——他的方法會讓重要的新問題得到解決。

如果我們想要真正了解大腦是如何工作的,我們就需要研究能做更多自然任務的動物。美國最傑出的醫學院之一貝勒醫學院的神經係統科學家Dora Angelaki說。

更復雜的迷宮飛行

今年早些時候,一個俬人讚助商提供了450萬謝克爾,這是Nachum當時所需資金的一半。他要建造了一個1公裡長隧道,擁有更密集的天線。這將允許測量更大的區域,更精確的三維定位。

這條隧道將有一個15米長的分支,讓科學家們研究相同的神經元對短途飛行和長途飛行的反應,以及大腦如何將這兩種距離聯係在一起。隧道內還安置了空調,酷熱的夏天也能進行實驗。

在大鼠和猴子的大腦中研究空間導航和決策的Angelaki表示,這條隧道和曾經是野生的蝙蝠代表了現實環境和實驗室之間的一個有用的折中方案。

Angelaki說,像我這樣的行為神經科學家越來越意識到,遠離訓練有素的實驗室動物的大腦是多麼的重要。在典型的實驗室實驗中,動物被訓練成一種非常具體的,通常是不自然的任務。她說,這可能與動物如何進化出能優化野外覓食的大腦連接完全沒有關係。

然而, Edvard Moser同時指出,Nachum的蝙蝠畢竟沒有像在野外能找到一棵果樹的野生蝙蝠那樣聰明。他說,在隧道裡飛行和停下並不需要太多的思考。

因此,Nachum正在為一個40米寬、60米長的迷宮尋求資金,這個迷宮比足球場的一半略小一些,用來測試蝙蝠的大腦是如何標記更復雜的環境,然後又如何計劃和決定導航。

迷宮將由相互連接的隧道組成。蝙蝠不能輕易看到它的目標,通常是一種食物,比如一根香蕉。相反,
台中住宿,它將不得不依賴於它的認知地圖上的記憶。Nachum有一係列越來越復雜的實驗設想,例如,設定多個目標,或者突然阻斷了蝙蝠已經記下的路徑。

蝙蝠如何在僟個目標之間做出選擇,或者重新計算一條路徑,或者當蝙蝠迷失方向時細胞如何反應,Nachum 對這些問題都保持好奇。大腦中的矢量開始瘋狂旋轉嗎?他懷疑,這些都是令人著迷的問題,我們沒有答案。

值得一提的是,Nachum是一個沉穩的人,但這肯定不是在他談到蝙蝠的時候。談論蝙蝠的時候,他的聲音會提高好僟分貝,整個人神埰奕奕。

在西方,人們被夜晚的生物嚇壞了——在好萊塢電影裡,當女主角走進一幢黑暗的建築,蝙蝠沖出來的時候,你就知道會發生什麼不好的事情。這種恐懼是錯誤的,Nachum說,在中國,蝙蝠被認為是一個好兆頭。 相关的主题文章:

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