蝙蝠腦中的「全球羅盤」：野外神經科學的革命性發現
想像一下，你在漆黑的夜晚，置身於一個遙遠的海洋小島，周圍是陌生的懸崖、岩石和海浪聲。你該如何找到回家的路？對於動物來說，這是日常挑戰，而人類也依賴類似的腦部機制來導航。2025年10月發表在《科學》（Science）期刊的一項研究，揭開了蝙蝠如何在真實世界中建立方向感的神秘面紗。這項研究不僅讓我們窺探腦內的「神經羅盤」，還強調了將神經科學從實驗室推向野外的必要性。
傳統神經科學研究多在狹小的實驗室進行，動物被限制在小籠子或迷宮中，環境單調且人工化。但真實世界充滿動態：地形變化、風向、海浪聲，甚至天體的移動。這項研究打破了侷限，科學家團隊（由以色列魏茲曼科學研究所的Nachum Ulanovsky和Liora Las領導）將埃及果蝠（一種高度視覺導向的夜行性蝙蝠）帶到東非近贊吉巴爾的拉瑟姆島（Latham Island）——一個僅350米長、250米寬的偏遠小島。
他們開發了一種微型無線「神經記錄器」（neural logger），整合GPS、加速計和神經電極，能同時追蹤蝙蝠的位置、方向和腦內單一神經元活動。蝙蝠被釋放到島上自由飛行，每晚記錄約30-50分鐘，覆蓋大片區域。這是人類首次在自然戶外環境中，直接測量腦神經元活動的實驗！以往的研究僅限於室內，無法捕捉真實世界的複雜性。這項「野外神經科學」（neuroscience in the wild）不僅克服了技術挑戰（如如何重新捕捉蝙蝠、確保數據準確），還開啟了新時代，讓我們了解腦部如何應對真實挑戰。
研究聚焦於腦中的「頭方向細胞」（head-direction cells），這些細胞像內建羅盤，根據動物面向的方向改變活動。團隊記錄了97個這樣的細胞，發現它們在整個島嶼上維持相同的方向偏好——這支持了「全球羅盤模型」（global compass hypothesis）。
想像腦內有個羅盤，不會因位置變化而混亂。科學家將島嶼分成小格子，分析每個格子的細胞活動，結果顯示每個細胞的首選方向（如面向北方時最活躍）在全島一致。這與「馬賽克模型」（mosaic hypothesis）相反，後者預測細胞會在不同區域有不同偏好方向，受局部地標影響。全球模型意味著這些細胞形成一個可靠的「腦羅盤」，幫助蝙蝠在地理尺度上導航，而不受遮擋或局部變化干擾。人口水平分析（如使用UMAP降維）也顯示這些細胞形成環形結構，解碼蝙蝠方向的誤差僅30度，證明其精準性。
這模型不僅適用蝙蝠，還可能解釋人類和其它動物的大尺度導航，為AI導航系統提供靈感。
最令人驚訝的是，這些細胞的方向偏好不依賴月亮、星星或磁場等恆定信號。戶外最顯著的遠距信號如月亮會移動或被雲遮蔽，如果細胞依賴它們，調諧應隨之旋轉——但研究發現，即使月亮在地平線下或雲層厚重，偏好方向仍穩定。磁場也被排除，因為偏好方向需要數晚逐漸穩定，而磁場從第一刻就存在。
相反，方向感是透過學習建立的。蝙蝠初到島上時，每個細胞的偏好方向不穩定，需幾晚探索島嶼地標（如懸崖、平台）和幾何結構，才逐漸固定。這暗示腦部像在「畫地圖」，整合多重感官輸入（視覺、回聲定位），形成可靠羅盤。這種學習過程解釋了為何動物能在新環境適應，而非依賴單一恆定信號。
這研究不僅填補了室內與戶外的知識鴻溝，還呼籲神經科學家走進野外。未來，我們可能看到更多類似實驗，揭開腦部如何處理真實世界的混亂。這對理解人類導航障礙（如阿茲海默症）或開發更好導航科技，都至關重要。蝙蝠的「全球羅盤」提醒我們，大腦的智慧遠超想像——它不是固定裝置，而是能學習的動態系統。
撰文：廖晨絜
原始論文：Palgi, S., Ray, S., Maimon, S. R., Waserman, Y., Ben-Ari, L., Eliav, T., ... & Ulanovsky, N. (2025). Head-direction cells as a neural compass in bats navigating outdoors on a remote oceanic island. Science, 390(6770), eadw6202.
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