Science丨蝙蝠的神经罗盘--头方向细胞让它们在偏远海岛上自由飞行

撰文|林无隅

动物的导航依赖于精确的方向感与空间表征【1-4】。头方向细胞（ head-direction cells ）是神经系统中专门编码头部朝向的神经元，被认为构成大脑的 “ 内在罗盘 ”【5】。过去数十年的研究主要在实验室内小尺度环境中进行，揭示了头方向系统由内在的自运动信号与外部地标线索共同维持。然而，这些室内实验空间狭小、感官信息贫乏，与动物在自然环境中的导航差异巨大。因此，如何理解大脑导航回路在真实世界中维持方向编码的稳定性，是当前神经科学领域亟待解决的问题。

2025 年 10 月 16 日，以色列雷霍沃特魏茨曼科学研究院脑科学系Nachum Ulanovsky团队在 Science 杂志上发表了

Head-direction cells as a neural compass in bats navigating outdoors on a remote oceanic island

研究团队在坦桑尼亚海岸的孤立岛屿上进行实验，捕获并植入电极的蝙蝠可自由飞行于 350×250 米的空间中。无线神经记录装置整合了多种传感器（ GPS 、加速度计、磁力计、陀螺仪等），可精确测定动物在三维空间中的位置与朝向。这一技术突破使得科学家首次能够在野外条件下同时获取高分辨率的神经放电与行为数据，为 “ 户外神经科学（ neuroscience in the wild ） ” 奠定了实验基础。实验共获得 406 个神经元信号，其中 97 个表现出典型的头方向调谐特征。这些神经元在时间与空间上均保持高度一致的偏好方向，其群体活动可准确预测蝙蝠的飞行方向。研究发现，这些细胞的方向编码在不同地理区域间并未重新校准，说明头方向网络在大尺度空间中依旧呈现环状吸引子（ ring attractor ）特征。这与实验室中观测到的机制一致，但首次在真实世界得到验证。

研究进一步证明头方向编码不依赖于月亮、星空或磁场等远距离线索，即便在云层遮蔽或无月夜晚也保持稳定。评论者 Zhou 与 Knierim 指出【6】，这种稳定性可能源于环状吸引子网络与地面视觉地标之间的动态耦合机制。文章提出了两种理论模型：其一为 “ 连续场景锚定模型（ continuous scene anchoring ） ” ，即神经网络不断将当前视景与方向编码匹配；其二为 “ 地标拼图模型（ mosaic landmark anchoring ） ” ，即网络在不同空间片段选择局部地标作为方向锚点。这两种机制或共同解释了头方向系统在大尺度自然环境中维持稳定的神经动力学。

综上所述，该研究首次在野外验证了头方向细胞在自然环境中的全局稳定性，为理解大脑如何构建可靠的方向表征提供了实验证据。Zhou与Knierim的评论进一步指出，该工作为连接实验室控制实验与自然导航行为之间的鸿沟提供了关键“实地基准”。未来结合计算模型与可控地标实验，可揭示环状吸引子网络如何在复杂视觉环境中进行动态校准。这不仅深化了对动物空间导航神经机制的认识，也为自主导航机器人和人工智能空间定位算法提供了生物学启示。

https://doi.org/10.1126/science.adw6202

制版人： 十一

参考文献

1. R. Kays, M. C. Crofoot, W. Jetz, M. Wikelski, Terrestrial animal tracking as an eye on life and planet.Science348, aaa2478 (2015). doi: 10.1126/science.aaa2478; pmid: 26068858

2. A. Tsoar et al., Large-­ scale navigational map in a mammal.Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A.108,E718–E724 (2011). doi: 10.1073/pnas.1107365108; pmid: 21844350

3. A. Goldshtein et al., Acoustic cognitive map-­ based navigation in echolocating bats.Science386, 561–567 (2024). doi: 10.1126/science.adn6269; pmid: 39480949

4. O. Lindecke, A. Elksne, R. A. Holland, G. Pētersons, C. C. Voigt, Experienced migratory bats integrate the sun’s position at dusk for navigation at night.Curr. Biol.29, 1369–1373.e3(2019). doi: 10.1016/j.cub.2019.03.002; pmid: 30955934

5. J. B. Ranck Jr., “Head direction cells in the deep cell layer of dorsal presubiculum in freely moving rats” in Electrical Activity of the Archicortex, G. Buzsáki, C. H. Vanderwolf, Eds.(Akademiai Kiado, 1985), pp. 217–220.

6. Y.-Q. Zhou, J. J. Knierim, Neural compass in the sky.Science390, 239–240 (2025). doi: 10.1126/science.aeb6967.

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