哺乳动物脑中发现神经3D罗盘

科技日报讯 （记者常丽君）飞行员要训练防止眩晕，因为眩晕会导致突然失去垂直方向感而不能辨别上下方位，这可能导致飞机失事。科学家认为，这种情况是脑中一个功能类似于3D罗盘的脑区暂时出了故障。最近，以色列魏茨曼科学研究所利用蝙蝠实验，首次证明了哺乳动物脑中存在这种3D罗盘，这些特定的神经元能感知动物的头正朝向哪个方向，以此帮它在三维空间里导航。相关论文发表在最近的《自然》杂志上。

辨别方向要靠空间记忆，这种记忆主要在脑深处的海马结构区形成。在哺乳动物中，有3种不同的细胞分布在海马结构区的不同位置，构成了导航系统的主体：“地方”与“网格”细胞就像GPS，让动物能跟踪自己的方位；“头部方向”细胞，就像罗盘，当动物的头指向一个特定方向时会做出反应。有关“地方”和“网格”细胞的研究已经很多，并获得了2014年诺贝尔生理或医学奖。但“头部方向”细胞是直到最近才开始以二维形式在小鼠中研究的，对大脑如何编码三维方向就了解得更少。

研究人员开发出一种跟踪装置，能以视频检测头部三个角度的转动——飞行术语中叫做偏航、俯仰和滚转。据物理学家组织网12月4日（北京时间）报道，他们用这种装置观察了自由飞行的埃及果蝠，通过植入微电极监测蝙蝠的神经活动。借助微电极记录显示，在海马结构的一个特殊亚区，神经元也会调整到与头部一致的特定三维角度：只有当动物的头指向该三维角度时，特定神经元才会被激活。

新研究首次揭示了大脑怎样结合水平线来计算垂直方向感。在神经罗盘中，水平和垂直方向是分开处理的，复杂程度也不同：在反应水平面上的方向时，海马结构一个亚区的头部方向细胞被激活，帮它在二维平面定向；而对垂直运动起反应的细胞，即三维定向，位于另一个亚区。研究人员认为，二维朝向细胞是为水平运动服务的，比如人们在开车时；而三维细胞对复杂的三维空间运动非常重要，如攀爬树枝，人类在多层建筑中移动，或驾驶飞行器。

他们还在倒挂蝙蝠身上进一步实验，研究蝙蝠的脑怎样计算出头部方向信号，发现它们脑中有一种极高效的圆环坐标系，可执行这些计算，使蝙蝠能在空中给自己迅速定位，无论它们向上还是向下运动。

本研究支持了海马结构中头朝向细胞具有三维神经罗盘功能的观点。虽然是对蝙蝠的研究，但科学家认为，这一发现也适用于不能飞行的哺乳动物，包括在树枝间跳跃的松鼠、猴子，以及人类。

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蝙蝠作为唯一真正能够飞翔的兽类，其独特的夜间飞行能力，一直被人们津津乐道，更成为科学家们重点研究的对象。如今，通过对蝙蝠的实验，发现哺乳动物脑中存在感知“头部方向”的3D罗盘，再次让人感叹，长相不那么好看的蝙蝠本事确实不小。更值得一提的是，那些拥有“飞行梦”的有志青年，将来或许不再为“眩晕”发愁了——因为3D罗盘既然已经发现，找到修复它的方法或许也就不远了。