跳海救蝙蝠、包下一座荒岛：这群神经科学家为了研究大脑拼了

追问快读：为了让研究更贴近真实世界，这位神经科学家搭建出一个个“微型自然生态系统”，借此探索动物行为背后的神经机制。

纳胡姆·乌拉诺夫斯基（Nachum Ulanovsky）没有半点迟疑。他纵身跳入坦桑尼亚拉瑟姆岛（Latham Island）近岸湍急的海流中，向一只漂浮在海面上的蝙蝠游去，距离足足有40米。

这只埃及果蝠（Egyptian fruit bat）身上安装着神经记录仪，并连接了全球定位系统追踪器。它刚刚被放飞，肩负着采集初步的飞行数据的使命。可当它意外坠入开阔海域时，一同落水的，还有团队整整五年的筹备心血，以及价值约7000美元的设备。乌拉诺夫斯基无法眼睁睁看着这一切付诸东流。他游到蝙蝠身边，一只手将它托举在水面上，另一只手奋力划水，硬是游回了岸边。

“我当时根本来不及想自己在做什么。”他回忆道。直到重新站在沙滩上，湿透的衣服紧贴着身体，他才突然意识到，手机还在口袋里泡着。

蝙蝠活了下来，连同它身上的记录仪，以及里面无比珍贵的数据。至于那部手机，自然是彻底报废了。

对他来说，这场交易简直稳赚不赔。

2023年，乌拉诺夫斯基和团队接管了这座占地7英亩的拉瑟姆岛（Latham Island），在那里驻扎近一个月，研究蝙蝠在自然环境中的脑活动。这个实验背后，是多年的筹备与设计。但即便准备再充分，也无法预见所有情况。

“你可以为动物可能发生的许多行为提前设想方案，”乌拉诺夫斯基实验室的博士后研究员赛卡特·雷（Saikat Ray）感慨道，“但问题在于，动物是自由的。既然它是自由的，它终究会做它自己想做的事。”[1]

这并不是乌拉诺夫斯基第一次为实验“打造一个世界”[1]。作为以色列魏茨曼科学研究所（Weizmann Institute of Science）的脑科学教授，他此前就曾搭建过仿洞穴结构的实验空间，还建造了一条长达200米的隧道。在那条隧道里，蝙蝠可以长距离自由飞行，而他则同步记录它们的脑活动。

瑞典隆德大学（Lund University）动物学教授埃里克·瓦伦特（Eric Warrant，他也曾担任国际神经行为学学会主席）评价说，这些早期研究带来了“范式转变式”的发现[2]。它们重新塑造了我们对大脑如何在真实世界中进行导航、以及如何与环境建立关系的理解。

不过，在拉瑟姆岛开展的研究，是乌拉诺夫斯基迄今为止最复杂、投入最高的一项计划，总经费超过100万美元。相关成果发表在《科学》（Science）期刊上[3]。这项研究首次在自然环境中、对自由活动的哺乳动物实现了单细胞神经记录。同时，研究还表明，蝙蝠大脑中的头方向细胞（head direction cells）能够充当一种稳定可靠的“神经罗盘”。除此之外，论文还报告了多项重要发现。

不过，也许更重要的是，这篇论文展示了：当科学真正把追踪技术带入野外时，我们究竟能够学到什么。德国马克斯·普朗克动物行为研究所（Max Planck Institute of Animal Behavior）所长伊恩·库赞（Iain Couzin）表示，这项研究可能标志着一个全新阶段的开始[4]。“我认为，这是一个真正重大进展的起点。我们现在已经能够做到这一点。”

乌拉诺夫斯基与蝙蝠的结缘，始于他在以色列希伯来大学攻读计算神经科学博士期间。他的妻子是一名从事咨询工作的环境科学家。2002年夏天，妻子告诉他，有一门关于沙漠蝙蝠生态学的课程。乌拉诺夫斯基意识到，这是一个进一步了解这种动物的机会。

▷手中之物：乌拉诺夫斯基手持一只埃及果蝠，这种动物是他在职业生涯早期决定专注研究的对象。

摄影：罗嫩·戈德曼（RONEN GOLDMAN）

直到他在马里兰大学帕克分校（UMD）师从辛西娅·莫斯（Cynthia Moss，现任教于约翰斯·霍普金斯大学心理与脑科学系）时，他才真正开始与蝙蝠打交道[5]。其间，他从零搭建了记录蝙蝠海马体神经活动的整套实验系统，并证明蝙蝠的脑电波特征可能与啮齿类动物不同[6]。

2007年，他带着妻子和三个孩子搬到以色列雷霍沃特，入职魏茨曼科学研究所（Weizmann Institute of Science）。某种意义上，这也是一次回到起点：乌拉诺夫斯基出生仅四个月时，父母就从莫斯科移居雷霍沃特。到了魏茨曼，他终于拥有了把蝙蝠研究真正铺开的资源与条件。他为实验搭建了小型暗室，在蝙蝠体内发现了网格细胞；同时观察到，位置细胞的放电场在三维空间中的形态与二维情境并不相同；他还进一步认识到，头方向细胞能够支持三维导航，而社会位置细胞则会编码其他飞行蝙蝠的位置[7-9]。

随后，他提出建造一条长达200米的隧道，用来进一步研究位置细胞在更大尺度空间中的活动规律。乌拉诺夫斯基的研究发现，当蝙蝠在更广阔的环境中活动时，其海马体会呈现一种“多尺度编码”（multiscale code）：也就是说，同一批神经元可以对应多个位置场（place fields），而且这些位置场的尺度从小到大不等[10]。乌拉诺夫斯基指出，在过去那种相对狭小的实验室条件下，这一特征很难被观察到，因此此前的蝙蝠研究往往看不见这种编码层级。研究还显示，当蝙蝠在空中遭遇潜在碰撞时，相关神经元会迅速从“编码自身位置”切换为“编码自己与另一只蝙蝠之间的距离”[11]。

▷隧道里的新视野：2016年，乌拉诺夫斯基和团队建成了一条长达200米的隧道，让蝙蝠得以飞行更远的距离，也使实验不再受限于传统实验室空间。

摄影：罗嫩·戈德曼（RONEN GOLDMAN）

这些实验装置让他逐渐意识到：实验室环境的诸多限制，可能会遮蔽我们对“大脑如何运作、行为如何发生”的真实理解。瓦伦特指出，这些发现也凸显了一个关键点，研究大脑时，具备生态效度（ecological validity）的研究设计至关重要。

但即便如此，动物行为学研究者仍不断抛给乌拉诺夫斯基同一个问题：既然实验室会“限制真相”，为什么不干脆到野外，直接记录蝙蝠的大脑活动？

他说，难点在于：他当时还没想清楚该怎么做。要把这件事变成现实，他得去澳大利亚跑一趟，学习水肺潜水（scuba diving），还要用将近五年的时间反复推演、周密布局。

乌拉诺夫斯基说自己在实验室里属于那种非常实干派的人。“我想和学生坐在一起，看数据、一起讨论，”他说，“我不想三个月才碰一次数据、聊一次结果。”

▷意外发现：乌拉诺夫斯基用谷歌地球（Google Earth）在非洲东海岸一带查找时，偶然发现了拉瑟姆岛（Latham Island）。

他的团队成员也都认同这一点。乌拉诺夫斯基的前博士后约西·约维尔（Yossi Yovel，现任特拉维夫大学动物学教授）说，即便已经带领实验室运转了18年，乌拉诺夫斯基仍会亲自过问许多细枝末节[12]。约维尔。他形容道：“他真的非常在意细节，甚至可以说，有点太在意了。”

在乌拉诺夫斯基实验室工作了14年的科研人员莉奥拉·拉斯（Liora Las）也表示，他对细节的执着有时会给人一种事无巨细、层层过问的感觉，乌拉诺夫斯基几乎总想随时掌握每项实验的具体情况[13]。

曾于2019年在乌拉诺夫斯基实验室工作一年的约纳坦·阿尔贾德夫（Yonatan Aljadeff，现任加利福尼亚大学圣地亚哥分校神经生物学助理教授）也回忆说，两人共事期间，晚上11点收到他发来询问某项实验细节的消息，并不罕见[14]。

阿尔贾德夫认为，这些“高要求”只是乌拉诺夫斯基强烈科学好奇心的自然副产物。对此，乌拉诺夫斯基点头表示认同。他说，自己的实验始终跟随对世界的本能好奇；而有时，这份好奇也会延伸到休闲时光，他曾在巴塔哥尼亚徒步，在希腊和克罗地亚进行海上皮划艇旅行，也曾在肯尼亚度蜜月；这些行程多少都带着“去更近地观察生物多样性”的目的。2023年夏天，他和家人又前往马达加斯加，那里约92%的哺乳动物为当地特有，在世界其他地方并不存在[15]。

他们在当地一座州立公园徒步时，一群狐猴忽然齐刷刷地从树上“哗啦”一下冲了下来，这显然出了状况。乌拉诺夫斯基抬头望去，只见树冠层上方的蓝天里，一只猛禽正盘旋掠过。可他很快又注意到：并非所有狐猴都落到地面避险；有些仍停留在高处的枝杈间，像“哨兵”一样盯着上方，防备可能的再次俯冲。这个细节让乌拉诺夫斯基着迷。

他说：“我就站在那儿，眼睁睁看着这套堪称教科书级的警戒反应（alarm-call reaction），整个人都看入迷了。你在戴维·阿滕伯勒（David Attenborough）的纪录片里看到它，或在教科书上读到它，是一回事；而当它就发生在你眼前，距离真的只有十英尺的时候，那又是完全另一回事。”

▷绘制轨迹：**加装全球定位系统（GPS）设备后，乌拉诺夫斯基团队得以追踪蝙蝠在拉瑟姆岛（Latham Island）上的飞行路径（白色轨迹）。

摄影：沙凯德·帕尔吉（SHAKED PALGI）

通往拉瑟姆岛的探索始于2018年。那一年，乌拉诺夫斯基在澳大利亚布里斯班参加神经行为学大会（Congress for Neuroethology）时，听说了一项研究：科学家用岛屿作为场景，考察老鼠如何完成导航[16]。他在飞往澳大利亚近海的莱迪·埃利奥特岛（Lady Elliot Island）途中读完了这篇论文；此行他计划与约维尔一起进行水肺潜水（scuba diving）。

这篇论文让他开始琢磨：岛屿或许能同时满足两个需求，既让蝙蝠尽可能自由地飞行，又能把它们活动范围自然地圈定在可追踪的边界之内。接下来的四天里，他在大堡礁（Great Barrier Reef）一带实地踏勘；到了晚上，他和约维尔坐在酒店酒吧的高脚椅上，看着海浪起伏，一边聊天一边推演研究方案。

乌拉诺夫斯基从澳大利亚回来后，立刻着手找岛。他先联系了太平洋上几个岛屿的政府部门，希望获准开展实验，却接连碰壁。直到2022年初，他在谷歌地球（Google Earth）上浏览海域时，偶然发现了拉瑟姆岛（Latham Island）。这座岛几乎把他列出的条件全部满足：远离大陆、无人居住，也未被纳入自然保护区体系。不到两个月，他就从坦桑尼亚教育、科学与技术部（Ministry of Education, Science and Technology）拿到了许可，可以把埃及果蝠运到岛上并开展研究。

但真正最难的部分才刚开始：实验落地的后勤与工程细节。比如，试剂和仪器要怎么运到坦桑尼亚？卫星通信怎么接入？又如何在神经记录仪上集成高精度定位追踪器和高度计？

2023年2月，团队飞往坦桑尼亚，在当地捕获了10只埃及果蝠，并为它们装上记录器。随后，他们乘船航行了五个多小时才抵达那座岛：途中，海豚不时在船旁破浪而出。临近岛岸时，乌拉诺夫斯基远远看见岛上几乎没有树木，心里以为会是一片荒寂。可真正登岛后，眼前却是另一番景象：岛上螃蟹密密麻麻，鸟群一次次腾空又落下；地貌也并不单调，既有小型潟湖，也有嶙峋的岩石峭壁。“我被这里的美震住了，”乌拉诺夫斯基说。

他们搭起“野外营地式”的帐篷用来遮阴，又在立柱之间挂起吊床。补给按计划每三到四天送达一次。他们架设发电机，用来做饭并为设备供电；同时还雇了当地团队协助打理营地，让整套运转尽可能顺畅。

实验一启动，团队白天的任务就是给当晚要研究的蝙蝠安装并校准电极。傍晚，他们喝着咖啡，耐心等到午夜。凌晨1点，一切准备就绪：他们放飞第一只蝙蝠，让它在夜空中飞行一小时后再将其收回。随后是第二只、第三只……直到四只蝙蝠依次被放入夜空、再被顺利回收时，地平线上已隐约泛起晨光。

如果当晚进展顺利，团队就会在睡前倒上一杯阿玛鲁拉（Amarula，一种产自南非的奶油利口酒）庆祝。随后，他们才抓紧睡上几个小时。

团队原本已经预想过许多麻烦，比如，他们会用封口膜（parafilm）把电子设备包好，防止海水飞沫侵蚀。但即便如此，小故障还是接二连三地冒了出来。

他们从以色列带来的转接头（adapter）与当地能找到的氧气瓶接口不兼容，只好委托坦桑尼亚的一家工坊现做一批新的。除此之外，团队几乎还得“靠一个人救急”：他们依赖一位在坦桑尼亚的联系人，随时帮忙送来临时急需的物品——从一副眼镜，到一部新手机（用来替换乌拉诺夫斯基在海里弄坏的那部）。

“几乎每时每刻都在解决问题。”乌拉诺夫斯基说。他也逐渐明白：要把这样量级的研究真正做成，“你必须始终绷着一根弦，随时准备应对突发情况。”

岛上的日子充满干扰与变数，再加上始终不知道实验到底能不能跑通，足以让乌拉诺夫斯基感到焦虑。可他想在野外研究蝙蝠，几乎想了整整二十年。他只能相信，这一切折腾终究会有回报。

天气转差后，他们收拾装备撤离，回到实验室整理数据。但因为当时把记录分散在三个不同脑区，团队担心：单就任何一个脑区而言，数据量都可能不够，难以得出可靠结论。事实也确实如此。于是，2024年2月，他们再次返回拉瑟姆岛，又连续工作了三周，终于补齐了所需的数据。

他们首先分析的是前下托区（presubiculum）。结果显示，这一区域约有25%的神经元具有头方向调谐（head-direction tuning）：当动物头部指向某个特定朝向时，这些神经元就会更强烈地放电。这个比例与实验室条件下的研究结果相近，说明至少有一部分神经编码特征，在实验室与野外环境中都同样存在。

神经科学家早就猜想，头方向细胞也许能充当大脑里的罗盘。但也有研究提示，这类细胞的调谐会受到空间线索（spatial cues）的影响而发生漂移；如果真是这样，它们在野外导航时就可能没那么靠得住。

▷偏好朝向：头方向细胞会对特定朝向呈现选择性调谐。比如图中这个细胞：当蝙蝠沿白色轨迹在岛上探索、头部朝向南方时，它最常放电（彩色点标示放电发生的位置）。

不过，这项研究反而支持了大脑罗盘的设想：无论蝙蝠位于岛上的哪个位置，头方向细胞都会对同一个头部朝向做出放电反应，说明这种调谐在大范围空间内具有全局一致性[17]。更关键的是，这种调谐在月出前后都保持稳定，在有云和无云的条件下也同样稳定。换句话说，这些细胞的方向信号并不依赖月亮、星空等天体线索，因此很可能可以作为一种相对可靠的神经罗盘。

由于这些蝙蝠并非拉瑟姆岛的原生动物，这次实验也意外提供了一个窗口：方向地图究竟是如何建立起来的。最初的一两晚，相关神经元的放电似乎还没对上方向。不管蝙蝠头朝哪儿，它们都在放电；但随着夜晚推移，神经元的反应逐渐变得更挑剔，越来越稳定地对应某一个特定朝向。这提示，方向地图会在学习过程中逐步稳定下来。目前，团队正在分析其余两个脑区的数据。

拉瑟姆岛项目的代价并不低昂，它需要多方资助支持，其中包括欧洲研究理事会（European Research Council）、以色列科学基金会（Israel Science Foundation）和魏茨曼科学研究所（Weizmann Institute of Science）等机构。尽管如此，库赞认为，乌拉诺夫斯基的新发现揭示了导航过程中的一些关键特征；更重要的是，这种更贴近自然情境的研究方式，或许能带来新的机会，让我们更接近一个根本问题：大脑为什么会被组织成现在这个样子。

当然，关注动物自然行为的神经科学家远不止乌拉诺夫斯基一人。但辛西娅·莫斯（Cynthia Moss）指出，神经行为学（neuroethology）曾经一度被看作“有点老派，像是上世纪60年代留下来的东西”；而正是乌拉诺夫斯基，帮助把这一方向重新带回现代的研究语境之中。

乌拉诺夫斯基在新书（Natural Neuroscience: Toward a Systems Neuroscience of Natural Behaviors）中，对这些想法做了系统梳理[18]。瓦伦特认为，这本书已经是一项重要贡献：它一方面鼓励神经科学家跳出惯常思路，另一方面也给出了相对可操作的路径与方法。

不过，乌拉诺夫斯基并不把自然化研究当成唯一正确的道路。“看起来好像我在宣讲：每个人都应该走到户外去做实验，”他说，“但其实并不是这样。”他仍然强调更可控的实验设计同样重要，并补充道：“哪怕只是在实验室条件的限制之下，朝着更自然化的实验迈出一小步，人们也会发现非常有趣的东西。”

乌拉诺夫斯基已经在魏茨曼的隧道装置里再加一层难度：在隧道内部布置了迷宫，用来研究蝙蝠在真正复杂情境下如何行动与决策。不过，他仍计划在2026年重返那座岛屿，研究两只结伴、或多只成群的蝙蝠在野外如何协同行动。他说：“你可以想象，要做我们这样的事，建隧道、去岛上研究蝙蝠，你既要是个乐观主义者，也得是个现实主义者。你不能只会做梦；光靠梦想是不够的。”

▷自然引领者：乌拉诺夫斯基的前导师辛西娅·莫斯表示，他将神经行为学带回了“现代”。

摄影：罗嫩·戈德曼（RONEN GOLDMAN）

译者后记

本文以乌拉诺夫斯基的研究历程为线索，讲述他如何从实验室走向岛屿与隧道，在更接近真实世界的情境中记录蝙蝠大脑活动：头方向细胞在大范围内保持稳定、并随经验逐步“定向”，也让我们看到实验室条件可能遗漏的编码层级与行为机制。更重要的是，这个故事提醒我们，科学并非在“可控”与“真实”之间二选一，而是不断寻找更好的折中，既保留严谨的因果推断，也把生命置回它本来的环境里。

https://www.thetransmitter.org/neuroethology/diving-in-with-nachum-ulanovsky/

[1]https://www.weizmann.ac.il/brain-sciences/labs/ulanovsky/group

[2]https://portal.research.lu.se/en/persons/eric-warrant

[3]http://www.science.org/doi/10.1126/science.adw6202

[4]https://www.ab.mpg.de/person/98158/2736

[5]https://pbs.jhu.edu/directory/cynthia-moss/

[6]https://doi.org/10.1038/nn1829

[7]https://doi.org/10.1126/science.1235338

[8]https://doi.org/10.1038/nature14031

[9]https://doi.org/10.1126/science.aao3474

[10]https://doi.org/10.1126/science.abg4020

[11]https://doi.org/10.1038/s41586-022-05112-2

[12]https://en-lifesci.tau.ac.il/profile/yossiy

[13]https://www.weizmann.ac.il/Staff_Scientists/liora-las

[14]https://biology.ucsd.edu/research/faculty/jaljadeff

[15]https://www.worldwildlife.org/places/madagascar/

[16]https://doi.org/10.1016/j.anbehav.2009.10.020

[17]http://www.science.org/doi/10.1126/science.adw6202

[18]https://www.thetransmitter.org/systems-neuroscience/natural-neuroscience-toward-a-systems-neuroscience-of-natural-behaviors-an-excerpt/

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