跳海救蝙蝠、包下一座荒島：這群神經科學家為了研究大腦拼了

追問快讀：為了讓研究更貼近真實世界，這位神經科學家搭建出一個個“微型自然生態系統”，借此探索動物行為背后的神經機制。

納胡姆·烏拉諾夫斯基（Nachum Ulanovsky）沒有半點遲疑。他縱身跳入坦桑尼亞拉瑟姆島（Latham Island）近岸湍急的海流中，向一只漂浮在海面上的蝙蝠游去，距離足足有40米。

這只埃及果蝠（Egyptian fruit bat）身上安裝著神經記錄儀，并連接了全球定位系統追蹤器。它剛剛被放飛，肩負著采集初步的飛行數據的使命。可當它意外墜入開闊海域時，一同落水的，還有團隊整整五年的籌備心血，以及價值約7000美元的設備。烏拉諾夫斯基無法眼睜睜看著這一切付諸東流。他游到蝙蝠身邊，一只手將它托舉在水面上，另一只手奮力劃水，硬是游回了岸邊。

“我當時根本來不及想自己在做什么。”他回憶道。直到重新站在沙灘上，濕透的衣服緊貼著身體，他才突然意識到，手機還在口袋里泡著。

蝙蝠活了下來，連同它身上的記錄儀，以及里面無比珍貴的數據。至于那部手機，自然是徹底報廢了。

對他來說，這場交易簡直穩賺不賠。

2023年，烏拉諾夫斯基和團隊接管了這座占地7英畝的拉瑟姆島（Latham Island），在那里駐扎近一個月，研究蝙蝠在自然環境中的腦活動。這個實驗背后，是多年的籌備與設計。但即便準備再充分，也無法預見所有情況。

“你可以為動物可能發生的許多行為提前設想方案，”烏拉諾夫斯基實驗室的博士后研究員賽卡特·雷（Saikat Ray）感慨道，“但問題在于，動物是自由的。既然它是自由的，它終究會做它自己想做的事。”[1]

這并不是烏拉諾夫斯基第一次為實驗“打造一個世界”[1]。作為以色列魏茨曼科學研究所（Weizmann Institute of Science）的腦科學教授，他此前就曾搭建過仿洞穴結構的實驗空間，還建造了一條長達200米的隧道。在那條隧道里，蝙蝠可以長距離自由飛行，而他則同步記錄它們的腦活動。

瑞典隆德大學（Lund University）動物學教授埃里克·瓦倫特（Eric Warrant，他也曾擔任國際神經行為學學會主席）評價說，這些早期研究帶來了“范式轉變式”的發現[2]。它們重新塑造了我們對大腦如何在真實世界中進行導航、以及如何與環境建立關系的理解。

不過，在拉瑟姆島開展的研究，是烏拉諾夫斯基迄今為止最復雜、投入最高的一項計劃，總經費超過100萬美元。相關成果發表在《科學》（Science）期刊上[3]。這項研究首次在自然環境中、對自由活動的哺乳動物實現了單細胞神經記錄。同時，研究還表明，蝙蝠大腦中的頭方向細胞（head direction cells）能夠充當一種穩定可靠的“神經羅盤”。除此之外，論文還報告了多項重要發現。

不過，也許更重要的是，這篇論文展示了：當科學真正把追蹤技術帶入野外時，我們究竟能夠學到什么。德國馬克斯·普朗克動物行為研究所（Max Planck Institute of Animal Behavior）所長伊恩·庫贊（Iain Couzin）表示，這項研究可能標志著一個全新階段的開始[4]。“我認為，這是一個真正重大進展的起點。我們現在已經能夠做到這一點。”

烏拉諾夫斯基與蝙蝠的結緣，始于他在以色列希伯來大學攻讀計算神經科學博士期間。他的妻子是一名從事咨詢工作的環境科學家。2002年夏天，妻子告訴他，有一門關于沙漠蝙蝠生態學的課程。烏拉諾夫斯基意識到，這是一個進一步了解這種動物的機會。

?手中之物：烏拉諾夫斯基手持一只埃及果蝠，這種動物是他在職業生涯早期決定專注研究的對象。

攝影：羅嫩·戈德曼（RONEN GOLDMAN）

直到他在馬里蘭大學帕克分校（UMD）師從辛西婭·莫斯（Cynthia Moss，現任教于約翰斯·霍普金斯大學心理與腦科學系）時，他才真正開始與蝙蝠打交道[5]。其間，他從零搭建了記錄蝙蝠海馬體神經活動的整套實驗系統，并證明蝙蝠的腦電波特征可能與嚙齒類動物不同[6]。

2007年，他帶著妻子和三個孩子搬到以色列雷霍沃特，入職魏茨曼科學研究所（Weizmann Institute of Science）。某種意義上，這也是一次回到起點：烏拉諾夫斯基出生僅四個月時，父母就從莫斯科移居雷霍沃特。到了魏茨曼，他終于擁有了把蝙蝠研究真正鋪開的資源與條件。他為實驗搭建了小型暗室，在蝙蝠體內發現了網格細胞；同時觀察到，位置細胞的放電場在三維空間中的形態與二維情境并不相同；他還進一步認識到，頭方向細胞能夠支持三維導航，而社會位置細胞則會編碼其他飛行蝙蝠的位置[7-9]。

隨后，他提出建造一條長達200米的隧道，用來進一步研究位置細胞在更大尺度空間中的活動規律。烏拉諾夫斯基的研究發現，當蝙蝠在更廣闊的環境中活動時，其海馬體會呈現一種“多尺度編碼”（multiscale code）：也就是說，同一批神經元可以對應多個位置場（place fields），而且這些位置場的尺度從小到大不等[10]。烏拉諾夫斯基指出，在過去那種相對狹小的實驗室條件下，這一特征很難被觀察到，因此此前的蝙蝠研究往往看不見這種編碼層級。研究還顯示，當蝙蝠在空中遭遇潛在碰撞時，相關神經元會迅速從“編碼自身位置”切換為“編碼自己與另一只蝙蝠之間的距離”[11]。

?隧道里的新視野：2016年，烏拉諾夫斯基和團隊建成了一條長達200米的隧道，讓蝙蝠得以飛行更遠的距離，也使實驗不再受限于傳統實驗室空間。

攝影：羅嫩·戈德曼（RONEN GOLDMAN）

這些實驗裝置讓他逐漸意識到：實驗室環境的諸多限制，可能會遮蔽我們對“大腦如何運作、行為如何發生”的真實理解。瓦倫特指出，這些發現也凸顯了一個關鍵點，研究大腦時，具備生態效度（ecological validity）的研究設計至關重要。

但即便如此，動物行為學研究者仍不斷拋給烏拉諾夫斯基同一個問題：既然實驗室會“限制真相”，為什么不干脆到野外，直接記錄蝙蝠的大腦活動？

他說，難點在于：他當時還沒想清楚該怎么做。要把這件事變成現實，他得去澳大利亞跑一趟，學習水肺潛水（scuba diving），還要用將近五年的時間反復推演、周密布局。

烏拉諾夫斯基說自己在實驗室里屬于那種非常實干派的人。“我想和學生坐在一起，看數據、一起討論，”他說，“我不想三個月才碰一次數據、聊一次結果。”

?意外發現：烏拉諾夫斯基用谷歌地球（Google Earth）在非洲東海岸一帶查找時，偶然發現了拉瑟姆島（Latham Island）。

他的團隊成員也都認同這一點。烏拉諾夫斯基的前博士后約西·約維爾（Yossi Yovel，現任特拉維夫大學動物學教授）說，即便已經帶領實驗室運轉了18年，烏拉諾夫斯基仍會親自過問許多細枝末節[12]。約維爾。他形容道：“他真的非常在意細節，甚至可以說，有點太在意了。”

在烏拉諾夫斯基實驗室工作了14年的科研人員莉奧拉·拉斯（Liora Las）也表示，他對細節的執著有時會給人一種事無巨細、層層過問的感覺，烏拉諾夫斯基幾乎總想隨時掌握每項實驗的具體情況[13]。

曾于2019年在烏拉諾夫斯基實驗室工作一年的約納坦·阿爾賈德夫（Yonatan Aljadeff，現任加利福尼亞大學圣地亞哥分校神經生物學助理教授）也回憶說，兩人共事期間，晚上11點收到他發來詢問某項實驗細節的消息，并不罕見[14]。

阿爾賈德夫認為，這些“高要求”只是烏拉諾夫斯基強烈科學好奇心的自然副產物。對此，烏拉諾夫斯基點頭表示認同。他說，自己的實驗始終跟隨對世界的本能好奇；而有時，這份好奇也會延伸到休閑時光，他曾在巴塔哥尼亞徒步，在希臘和克羅地亞進行海上皮劃艇旅行，也曾在肯尼亞度蜜月；這些行程多少都帶著“去更近地觀察生物多樣性”的目的。2023年夏天，他和家人又前往馬達加斯加，那里約92%的哺乳動物為當地特有，在世界其他地方并不存在[15]。

他們在當地一座州立公園徒步時，一群狐猴忽然齊刷刷地從樹上“嘩啦”一下沖了下來，這顯然出了狀況。烏拉諾夫斯基抬頭望去，只見樹冠層上方的藍天里，一只猛禽正盤旋掠過。可他很快又注意到：并非所有狐猴都落到地面避險；有些仍停留在高處的枝杈間，像“哨兵”一樣盯著上方，防備可能的再次俯沖。這個細節讓烏拉諾夫斯基著迷。

他說：“我就站在那兒，眼睜睜看著這套堪稱教科書級的警戒反應（alarm-call reaction），整個人都看入迷了。你在戴維·阿滕伯勒（David Attenborough）的紀錄片里看到它，或在教科書上讀到它，是一回事；而當它就發生在你眼前，距離真的只有十英尺的時候，那又是完全另一回事。”

?繪制軌跡：**加裝全球定位系統（GPS）設備后，烏拉諾夫斯基團隊得以追蹤蝙蝠在拉瑟姆島（Latham Island）上的飛行路徑（白色軌跡）。

攝影：沙凱德·帕爾吉（SHAKED PALGI）

通往拉瑟姆島的探索始于2018年。那一年，烏拉諾夫斯基在澳大利亞布里斯班參加神經行為學大會（Congress for Neuroethology）時，聽說了一項研究：科學家用島嶼作為場景，考察老鼠如何完成導航[16]。他在飛往澳大利亞近海的萊迪·埃利奧特島（Lady Elliot Island）途中讀完了這篇論文；此行他計劃與約維爾一起進行水肺潛水（scuba diving）。

這篇論文讓他開始琢磨：島嶼或許能同時滿足兩個需求，既讓蝙蝠盡可能自由地飛行，又能把它們活動范圍自然地圈定在可追蹤的邊界之內。接下來的四天里，他在大堡礁（Great Barrier Reef）一帶實地踏勘；到了晚上，他和約維爾坐在酒店酒吧的高腳椅上，看著海浪起伏，一邊聊天一邊推演研究方案。

烏拉諾夫斯基從澳大利亞回來后，立刻著手找島。他先聯系了太平洋上幾個島嶼的政府部門，希望獲準開展實驗，卻接連碰壁。直到2022年初，他在谷歌地球（Google Earth）上瀏覽海域時，偶然發現了拉瑟姆島（Latham Island）。這座島幾乎把他列出的條件全部滿足：遠離大陸、無人居住，也未被納入自然保護區體系。不到兩個月，他就從坦桑尼亞教育、科學與技術部（Ministry of Education, Science and Technology）拿到了許可，可以把埃及果蝠運到島上并開展研究。

但真正最難的部分才剛開始：實驗落地的后勤與工程細節。比如，試劑和儀器要怎么運到坦桑尼亞？衛星通信怎么接入？又如何在神經記錄儀上集成高精度定位追蹤器和高度計？

2023年2月，團隊飛往坦桑尼亞，在當地捕獲了10只埃及果蝠，并為它們裝上記錄器。隨后，他們乘船航行了五個多小時才抵達那座島：途中，海豚不時在船旁破浪而出。臨近島岸時，烏拉諾夫斯基遠遠看見島上幾乎沒有樹木，心里以為會是一片荒寂。可真正登島后，眼前卻是另一番景象：島上螃蟹密密麻麻，鳥群一次次騰空又落下；地貌也并不單調，既有小型潟湖，也有嶙峋的巖石峭壁。“我被這里的美震住了，”烏拉諾夫斯基說。

他們搭起“野外營地式”的帳篷用來遮陰，又在立柱之間掛起吊床。補給按計劃每三到四天送達一次。他們架設發電機，用來做飯并為設備供電；同時還雇了當地團隊協助打理營地，讓整套運轉盡可能順暢。

實驗一啟動，團隊白天的任務就是給當晚要研究的蝙蝠安裝并校準電極。傍晚，他們喝著咖啡，耐心等到午夜。凌晨1點，一切準備就緒：他們放飛第一只蝙蝠，讓它在夜空中飛行一小時后再將其收回。隨后是第二只、第三只……直到四只蝙蝠依次被放入夜空、再被順利回收時，地平線上已隱約泛起晨光。

如果當晚進展順利，團隊就會在睡前倒上一杯阿瑪魯拉（Amarula，一種產自南非的奶油利口酒）慶祝。隨后，他們才抓緊睡上幾個小時。

團隊原本已經預想過許多麻煩，比如，他們會用封口膜（parafilm）把電子設備包好，防止海水飛沫侵蝕。但即便如此，小故障還是接二連三地冒了出來。

他們從以色列帶來的轉接頭（adapter）與當地能找到的氧氣瓶接口不兼容，只好委托坦桑尼亞的一家工坊現做一批新的。除此之外，團隊幾乎還得“靠一個人救急”：他們依賴一位在坦桑尼亞的聯系人，隨時幫忙送來臨時急需的物品——從一副眼鏡，到一部新手機（用來替換烏拉諾夫斯基在海里弄壞的那部）。

“幾乎每時每刻都在解決問題。”烏拉諾夫斯基說。他也逐漸明白：要把這樣量級的研究真正做成，“你必須始終繃著一根弦，隨時準備應對突發情況。”

島上的日子充滿干擾與變數，再加上始終不知道實驗到底能不能跑通，足以讓烏拉諾夫斯基感到焦慮。可他想在野外研究蝙蝠，幾乎想了整整二十年。他只能相信，這一切折騰終究會有回報。

天氣轉差后，他們收拾裝備撤離，回到實驗室整理數據。但因為當時把記錄分散在三個不同腦區，團隊擔心：單就任何一個腦區而言，數據量都可能不夠，難以得出可靠結論。事實也確實如此。于是，2024年2月，他們再次返回拉瑟姆島，又連續工作了三周，終于補齊了所需的數據。

他們首先分析的是前下托區（presubiculum）。結果顯示，這一區域約有25%的神經元具有頭方向調諧（head-direction tuning）：當動物頭部指向某個特定朝向時，這些神經元就會更強烈地放電。這個比例與實驗室條件下的研究結果相近，說明至少有一部分神經編碼特征，在實驗室與野外環境中都同樣存在。

神經科學家早就猜想，頭方向細胞也許能充當大腦里的羅盤。但也有研究提示，這類細胞的調諧會受到空間線索（spatial cues）的影響而發生漂移；如果真是這樣，它們在野外導航時就可能沒那么靠得住。

?偏好朝向：頭方向細胞會對特定朝向呈現選擇性調諧。比如圖中這個細胞：當蝙蝠沿白色軌跡在島上探索、頭部朝向南方時，它最常放電（彩色點標示放電發生的位置）。

不過，這項研究反而支持了大腦羅盤的設想：無論蝙蝠位于島上的哪個位置，頭方向細胞都會對同一個頭部朝向做出放電反應，說明這種調諧在大范圍空間內具有全局一致性[17]。更關鍵的是，這種調諧在月出前后都保持穩定，在有云和無云的條件下也同樣穩定。換句話說，這些細胞的方向信號并不依賴月亮、星空等天體線索，因此很可能可以作為一種相對可靠的神經羅盤。

由于這些蝙蝠并非拉瑟姆島的原生動物，這次實驗也意外提供了一個窗口：方向地圖究竟是如何建立起來的。最初的一兩晚，相關神經元的放電似乎還沒對上方向。不管蝙蝠頭朝哪兒，它們都在放電；但隨著夜晚推移，神經元的反應逐漸變得更挑剔，越來越穩定地對應某一個特定朝向。這提示，方向地圖會在學習過程中逐步穩定下來。目前，團隊正在分析其余兩個腦區的數據。

拉瑟姆島項目的代價并不低昂，它需要多方資助支持，其中包括歐洲研究理事會（European Research Council）、以色列科學基金會（Israel Science Foundation）和魏茨曼科學研究所（Weizmann Institute of Science）等機構。盡管如此，庫贊認為，烏拉諾夫斯基的新發現揭示了導航過程中的一些關鍵特征；更重要的是，這種更貼近自然情境的研究方式，或許能帶來新的機會，讓我們更接近一個根本問題：大腦為什么會被組織成現在這個樣子。

當然，關注動物自然行為的神經科學家遠不止烏拉諾夫斯基一人。但辛西婭·莫斯（Cynthia Moss）指出，神經行為學（neuroethology）曾經一度被看作“有點老派，像是上世紀60年代留下來的東西”；而正是烏拉諾夫斯基，幫助把這一方向重新帶回現代的研究語境之中。

烏拉諾夫斯基在新書（Natural Neuroscience: Toward a Systems Neuroscience of Natural Behaviors）中，對這些想法做了系統梳理[18]。瓦倫特認為，這本書已經是一項重要貢獻：它一方面鼓勵神經科學家跳出慣常思路，另一方面也給出了相對可操作的路徑與方法。

不過，烏拉諾夫斯基并不把自然化研究當成唯一正確的道路。“看起來好像我在宣講：每個人都應該走到戶外去做實驗，”他說，“但其實并不是這樣。”他仍然強調更可控的實驗設計同樣重要，并補充道：“哪怕只是在實驗室條件的限制之下，朝著更自然化的實驗邁出一小步，人們也會發現非常有趣的東西。”

烏拉諾夫斯基已經在魏茨曼的隧道裝置里再加一層難度：在隧道內部布置了迷宮，用來研究蝙蝠在真正復雜情境下如何行動與決策。不過，他仍計劃在2026年重返那座島嶼，研究兩只結伴、或多只成群的蝙蝠在野外如何協同行動。他說：“你可以想象，要做我們這樣的事，建隧道、去島上研究蝙蝠，你既要是個樂觀主義者，也得是個現實主義者。你不能只會做夢；光靠夢想是不夠的。”

?自然引領者：烏拉諾夫斯基的前導師辛西婭·莫斯表示，他將神經行為學帶回了“現代”。

攝影：羅嫩·戈德曼（RONEN GOLDMAN）

譯者后記

本文以烏拉諾夫斯基的研究歷程為線索，講述他如何從實驗室走向島嶼與隧道，在更接近真實世界的情境中記錄蝙蝠大腦活動：頭方向細胞在大范圍內保持穩定、并隨經驗逐步“定向”，也讓我們看到實驗室條件可能遺漏的編碼層級與行為機制。更重要的是，這個故事提醒我們，科學并非在“可控”與“真實”之間二選一，而是不斷尋找更好的折中，既保留嚴謹的因果推斷，也把生命置回它本來的環境里。

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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