哺乳动物脑中发现神经3D罗盘 可在三维空间导航

2015-10-24 10:42 作者:admin 来源:
 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。