Nachum Ulanovsky和他的一只实验蝙蝠。 图片来源：David Vaaknin

在以色列雷霍沃特一片阳光炙烤着的土地上，两名神经科学家凝视着他们设计的200米长的黑暗隧道。这个结构蜿蜒的织物面板在高温下闪闪发光；在其内部，一个研究对象正在探索着隧道的长度。最终，黑暗中突然出现一只蝙蝠，它在半空中做了个后空翻，然后倒挂在隧道入口处。

该研究负责人Nachum Ulanovsky温情地看着这只生物，他的研究生递给这只蝙蝠一根香蕉作为奖励，因为它刚刚为他们最新的大脑导航研究增加了宝贵的数据。

绝大多数探测大脑导航的实验都是在实验室里进行的，使用的研究对象是老鼠。Ulanovsky则打破了惯例。他在魏茨曼科学研究所一个废弃的场地上建造了飞行隧道。他想了解哺乳动物大脑如何在更自然的环境中导航，尤其是大脑如何应对三维空间。

Ulanovsky于2016年建造的这条隧道已经证明了其科学价值。他的实验蝙蝠也是如此。它们帮助Ulanovsky发现了复杂导航编码的新方向——生存所必需的一种基本大脑功能。他发现了负责蝙蝠三维导航的一种新细胞类型，以及能够记录蝙蝠在环境中位置的其他细胞。这是一个热门研究领域，导航研究人员已经获得了2014年的诺贝尔生理学或医学奖，这个领域在每一场神经科学大会上正变得越来越突出。

空间历险

20世纪70年代，英国伦敦大学学院John O’Keefe发现老鼠的大脑有一种很简单的方法识别动物的位置，神经科学家从那时起就被大脑对空间环境的编码方式迷住了。当O’Keefe将电极放置在大脑海马体区域时，他发现只有当老鼠位于笼子中的特定位置时，其神经元才会放电，从而形成了一种认知地图。他将其称为“位置细胞”。

近30年后，来自挪威卡夫利研究所的Edvard Moser和May-Britt Moser在附近的内嗅皮层中发现了另一种探路细胞——网格细胞。它不仅会在笼子中的某个地方放电，还会在六边形的多个点上放电。就像一个微型全球定位系统（GPS）一样，这些细胞构成了一种大脑编码，让老鼠能跟踪自己在一个空间中的相对位置。两人与O’Keefe分享了2014年的诺贝尔奖；他们和其他科学家还在海马区发现其他种类的导航细胞，包括那些对头部方向或边界（如笼壁）做出反应而放电的细胞。

但几乎所有这些发现都来自于老鼠，这些啮齿类动物除了用后腿站起来嗅东西，或者不小心从架子上掉下来之外，都在水平面上生活。1998年，美国宇航局（NASA）一架飞机在失重状态下植入电极的一种富有想象力的尝试旨在绕开检测老鼠的问题，但其结果并不具有结论性。

对于Ulanovsky来说，蝙蝠的优点超越了了解三维制图的适宜性：通过这种野生动物可以更好地描绘自然行为。他认为高度受控的实验室实验对理解神经元的一些基本特性至关重要，因此有必要进行现实检验。他说：“我们对这些细胞如何协同工作以绘制野生动物栖息的环境知之甚少。”他推断从野外捕捉的、在约束条件较少的环境中飞行的蝙蝠是理想的实验对象。此外，Ulanovsky相信，在实验室啮齿类动物以外的动物中研究该系统有助于了解哪些行为会跨越物种。

2007年，Ulanovsky拥有了自己的蝙蝠实验室，并在魏茨曼大学担任终身教职。Ulanovsky是个冷静的人，但在谈到蝙蝠时，他的平静就会被打破，声音会提高几分贝，显得兴致勃勃。“在西方，人们害怕夜晚的生物。在好莱坞电影中，当女主角走进黑暗的建筑直至有蝙蝠冲出来时，就会有不好的事情发生。”他说，这种恐惧是错误的。“在中国，蝙蝠被认为是好兆头。”

蝙蝠洞穴

在把想法付诸实验之前，Ulanovsky必须找到合适的蝙蝠，了解它如何探索自然环境，最具挑战性的是设计仪器从蝙蝠及其大脑中收集数据。

他说，有些蝙蝠很凶恶，但埃及果蝠“很容易驯养，和它们一起工作很愉快”。每年有几次，他会拿起巨大的渔网踏上捕捉蝙蝠的旅程，从栖息在废弃建筑或朱迪亚山丘的洞穴中采集标本。

他最早的实验始于2008年，目的是找出蝙蝠在离开相关设施后会飞多远。他给35只蝙蝠配备了GPS记录器，发现它们每天晚上会飞15公里甚至更远才能找到晚餐，而且它们能记住一棵果树的确切位置。

他还在实验室里建造了飞行室。最大的飞行室约为6×5×3米，接近壁球场大小的一半，里面安装着相机、让蝙蝠可以倒挂的着陆球和吸引它们的水果喂养站。室内覆盖着金属和一层黑色的声学泡沫以屏蔽外部噪音和电信号，因此十分安静。那里的灯光可以从昏暗调到黑暗。

在隔壁的控制室里，蝙蝠会以微小光点的形式出现在屏幕上。每只蝙蝠都携带一个红色发光二极管（LED），当它们在房间里飞来飞去时，摄像机就会追踪到它们。它们的大脑活动由神经记录器监控，电极通过外科手术被植入其海马体，外部硬件则通过微型螺丝固定在它们的头骨上。摄像机和记录器使Ulanovsky能够将神经元的放电与蝙蝠在空间中的准确位置联系起来。

在这个装置中，Ulanovsky能够揭示典型的蝙蝠导航神经元的三维区域。他算出了其头部导航细胞如何像三维指南针一样运行，还发现了另一种导航细胞（一直以来所寻找的向量细胞），它可以追踪到特定目标的角度和距离。他还探索了蝙蝠社交世界的影响。当把同伴蝙蝠放进飞行室内时，他发现被监控的蝙蝠拥有“社交场所细胞”，可以追踪到同伴的位置。他正在监测两三个蝙蝠大脑如何在数月内在大型飞行室里记录多达10只蝙蝠的社会互动。

但Ulanovsky最迫切的问题是，导航细胞组如何在飞行室外更自然的行为过程中执行任务。监控蝙蝠在野外的位置几乎不可能，摄像机没有用，因为蝙蝠的活动范围太大，而GPS则无法提供足够高的分辨率，所以Ulanovsky认为人造隧道是最好的选择。

当蝙蝠穿越200米长的隧道时，可以通过其身上的一个微型信号装置和15个一套的天线监测其准确位置。每个天线通过WiFi将信号标签发送到隧道入口的工作站，在那里，蝙蝠的全部三维运动被重新创建。这个隧道的整体建造费用约90万以色列谢克尔（25万美元）。

自2016年3月首飞以来，Ulanovsky和学生已经从不同蝙蝠的200多个神经元中收集了数据。这些早期数据含有一些有趣的发现。例如，Ulanovsky发现单个细胞会在一个小区域的一个位置放电，也会在一个大区域的一个完全不同的位置放电，这表明位置细胞可能代表多个空间尺度，而不仅仅是一个特定尺度。研究人员在小笼子里的实验中则未发现这种模式。Ulanovsky需要更多数据证实这一点。

隧道设想

这激励他去设计更大更好的隧道。Ulanovsky希望建造一条1公里长的隧道，其中装载着更密集的定位和连接天线。今年早些时候，一家私人赞助商提供了他所需要的900万谢克尔的一半资金。这样的隧道将有助于测量更大的空间场所，作出更精确的三维定位。该隧道将有一个15米长的侧室，让科学家可以研究相同的神经元如何对短距离和长距离飞行做出反应，以及大脑如何将这两个方面结合在一起。其中的空调将可以让实验在炎热的夏季进行。

美国得克萨斯州休斯敦贝克医学院神经学家、研究老鼠和猴子大脑空间导航和决策的Dora Angelaki说，该隧道和曾经的野生蝙蝠代表了现实世界和实验室之间的一个有益的中转站。“像我一样的行为神经科学家越来越意识到，远离过度训练的实验室动物大脑有多么重要。”她说。在典型的实验室实验中，动物被训练执行非常具体的、通常是不自然的任务。“这可能与这些动物如何进化出大脑连通性以优化野外觅食没有关系。”

然而，正如Edvard Moser所说的那样，Ulanovsky的蝙蝠还没有像在野外找到果树那样聪明。他说：“在隧道里飞上飞下时，它们并不需要花太多心思。”因此Ulanovsky正在孕育一个更加雄心勃勃的“读心术”计划。他正在为一个40米宽、60米长的迷宫寻求资助，以验证蝙蝠大脑如何应对更加复杂的环境以及如何导航以做出计划和决策。

该迷宫将由相互连接的隧道组成，蝙蝠并不总能看到自己的目标（通常是香蕉等食物）。它需要依靠已经产生的“认知地图”中的记忆。Ulanovsky脑子里有一系列越来越复杂的实验，比如设定多个目标，或者突然阻断蝙蝠的记忆路径。他对蝙蝠如何在几个目标之间进行选择、如何重新计算路径以及当它们迷路时细胞如何回应等仍存在疑问。“它们大脑中的向量会开始疯狂旋转吗？”他说，“这些都是我们尚未获得答案的有趣问题。”

而蝙蝠是乐于助人的对象。在隧道里，如果天气好的话，蝙蝠在休息进食之前会飞行数公里。“它们是被误解的生物。”Ulanovsky说。他站在隧道的尽头，用温柔的眼神凝视着一只刚落地的蝙蝠。“它们会助力科学。”（晋楠编译）