蝙蝠野外导航中头部方向细胞的全球性神经罗盘机制研究

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

　　为解决真实环境中空间导航神经机制的研究空白，研究人员通过微型无线记录设备在非洲桑给巴尔岛对自由飞行的埃及果蝠进行单神经元记录，发现头部方向细胞（HD cells）在岛屿尺度上呈现稳定的全球性定向编码，不依赖天体动态变化，为真实世界导航的神经基础提供了关键证据。

　　

动物与人类依赖导航能力生存，但大脑“导航回路”中的空间神经元此前从未在真实环境中被研究。本研究首次在野外条件下对空间神经元进行电生理记录：研究人员在偏远大洋岛屿上对自由飞行的蝙蝠进行头部方向细胞（head-direction cells, HD cells）记录，这些神经元位于前下托（presubiculum）。结果表明，HD细胞能在整个岛屿地理范围内稳定编码蝙蝠的朝向，且不受月球与银河动态变化的影响。定向调谐在蝙蝠初次探索岛屿后的数个夜晚内逐渐稳定，说明HD细胞可作为一种经学习形成的可靠神经罗盘，支撑真实世界导航——这项研究凸显了将神经科学研究拓展到自然环境的必要性。

编辑总结指出，复杂导航行为的神经机制以往主要基于小范围实验室实验，与真实环境差异显著。帕尔吉等人通过单神经元记录技术（结合高精度GPS追踪）发现，HD细胞以全局性罗盘方式表征方向，而非局部感知线索的马赛克组合。这意味着单个神经元在自然环境中始终保持相同的偏好方向，且其稳定性不依赖天体运动。该发现确立了HD细胞在真实导航中的关键作用。

结构化摘要部分进一步阐释：

引言

自然环境中动物需在大范围复杂空间中进行导航，而神经机制研究长期局限于贫感官信息的室内场景。本研究聚焦HD细胞这类“神经罗盘”，旨在揭示其在野外环境中的功能特性。

研究依据

通过定制微型“神经记录器”在非洲岛屿记录蝙蝠脑区HD细胞活动，重点验证两种假说：马赛克假说（认为神经元方向调谐随局部感官线索变化）与全局罗盘假说（主张调谐具有地理一致性）。同时探究天体视觉线索（如月球、恒星）对HD细胞稳定性的影响。

结果

研究发现岛屿上的HD细胞与室内实验具有相似功能特性，其方向调谐在大地理尺度上保持一致，支持全局罗盘假说。此外，HD细胞在月球低于地平线或被云层遮挡时仍保持稳定，排除了磁场导向机制的可能。定向编码在蝙蝠熟悉环境过程中逐步稳定，提示其通过学习形成对环境布局（如地标与几何特征）的内在表征。

结论

HD细胞在真实环境中具有地理尺度上的稳定性与天体动态无关性，可作为大脑的可靠导航罗盘。研究呼吁神经科学更多关注自然条件下的机制探索。

（插图说明：野外记录的HD细胞形成可靠神经罗盘，示意图显示蝙蝠在岛屿导航中神经元保持定向编码一致性，不受天体运动干扰。）