蝙蝠，聽覺和回聲定位研究的模型動(dòng)物*

付子英 唐 佳 陳其才

（華中師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，武漢 430079）

普氏蹄蝠（Hipposideros pratti），用于聽覺和回聲定位研究的蝙蝠之一。

孔子曰：“工欲善其事，必先利其器”。阿基米德（Archimedes）也曾說：“只要給我一個(gè)支點(diǎn)，我就可以撬起一個(gè)地球”?？v觀人類社會(huì)，幾乎每前進(jìn)一步都與利用工具息息相關(guān)。在生命科學(xué)研究中，人們通常將那些適用于研究的生命體即實(shí)驗(yàn)對(duì)象，稱為模式（型）生物（model organism），包括模式植物（model plant）、模式動(dòng)物（model animal） 和模式微生物（model microorganism），從而成為研究中最重要的“工具”之一。在生物演化中，許多生命活動(dòng)的基本方式和原理，如遺傳原理、生理過程及機(jī)制等，在眾多生物物種中是保守和共享的。因此，在模式生物上獲得的研究結(jié)果，可用于揭示在眾多生物物種中具有普遍規(guī)律的生命現(xiàn)象，這正是模式生物研究策略能夠成功的基礎(chǔ)。人們對(duì)生活于黑暗環(huán)境中的蝙蝠如何感知外界環(huán)境有著濃厚的興趣。從1793 年意大利生理學(xué)家斯帕蘭札尼（Spallanzani）發(fā)現(xiàn)盲眼蝙蝠仍能自由飛行和生存，到1938 年皮爾斯（Pierce） 和格里芬（Griffin）成功地記錄到蝙蝠發(fā)出的超聲，100多年的研究最終揭開了這一謎團(tuán)——蝙蝠是通過主動(dòng)發(fā)出聲音信號(hào)，并聽其回聲來感知周圍環(huán)境。Griffin［1］于1944 年提出將自然界中任何利用類似聲納原理探測(cè)周圍環(huán)境的過程稱之為回聲定位。Grinnell［2］記錄到蝙蝠發(fā)出的超聲也被認(rèn)為是蝙蝠回聲定位研究中一項(xiàng)具有里程碑意義的發(fā)現(xiàn)。自此以來，科學(xué)家以蝙蝠為模式動(dòng)物，從聽覺［3-8］、回聲定位［9-11］和生態(tài)適應(yīng)與演化［8，12-17］等方面開展了研究，取得了令人矚目的成果。本文主要從神經(jīng)生物學(xué)的角度，對(duì)蝙蝠聽覺和回聲定位方面的研究及認(rèn)識(shí)做簡(jiǎn)要介紹。

1 蝙蝠的生物學(xué)性狀與分類

蝙蝠是神奇而又特別的動(dòng)物。經(jīng)過長(zhǎng)期的演化，其中回聲定位蝙蝠（以下所述及的蝙蝠皆與此意相同）聽覺系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能均達(dá)到了一種完美的高度［12-13］，成為了黑暗環(huán)境中的“精靈”和捕食高手。

蝙蝠在生物學(xué)上屬于哺乳綱（Mammalia），翼手目（Chiroptera），是哺乳動(dòng)物中僅次于嚙齒類動(dòng)物的第二大類群，也是唯一能真正飛行的哺乳動(dòng)物。現(xiàn)發(fā)現(xiàn)有大約1400 種［18］，約占哺乳動(dòng)物的25%［10］，幾乎分布于除南、北極以外的所有地區(qū)。中國(guó)是世界上蝙蝠物種多樣性最豐富的國(guó)家之一，已知的種類超過了140 種［19］。根據(jù)蝙蝠的形態(tài)等特征，進(jìn)一步將其分為小（或陽） 蝙蝠亞目（Yangochiroptera） 和 大（或 陰） 蝙 蝠 亞 目（Yinpterochiroptera），陰蝙蝠亞目蝙蝠主要通過視覺導(dǎo)航，而陽蝙蝠亞目蝙蝠視覺嚴(yán)重退化，聽覺系統(tǒng)特化以適應(yīng)通過回聲定位獲取周圍環(huán)境信息的需要，因此被稱為回聲定位蝙蝠［3，9，11，20］。就體型大小 而 言 ， 大 黃 蜂 蝙 蝠 （Crasceonycteris thonglongyai） 最?。s1.5 g），狐蝠（Pteropus spp.）最大（約1000 g，翼寬約1.5 m），大多數(shù)回聲定位蝙蝠體重基本在100 g以內(nèi)。回聲定位蝙蝠種類繁多，回聲定位叫聲也多種多樣，現(xiàn)已開始在生物多樣性國(guó)家（megadiverse country）建立蝙蝠回聲定位叫聲公共數(shù)據(jù)庫(kù)（echolocation call library for bats）［21-22］。為簡(jiǎn)便，根據(jù)它們發(fā)出的回聲定位聲信號(hào)的頻率構(gòu)成模式和特征，大體上歸為3種類型［3，12-13，23-24］（圖1）： 恒 頻- 調(diào) 頻（constant frequency-frequency modulation，CFFM） 蝙蝠，如胡須蝠（Pteronotus parnellii rubiginosus） 等，其發(fā)聲信號(hào)開始為一段時(shí)程極短的FM成分（其作用鮮見有報(bào)道），繼之為一段較長(zhǎng)時(shí)程的CF成分再接一段短時(shí)程的下掃FM 成分（圖1 左）；調(diào)頻（frequency modulated，F(xiàn)M） 蝙 蝠，如 大 棕 蝠（Eptesicus fuscus）等，其發(fā)聲信號(hào)為下掃FM 聲（圖1 中）；咔嚓聲（Click）或咔嚓樣聲（Clicklike）蝙蝠，也稱為撿食蝙蝠（gleaning bat），如大蝙蝠亞目的果蝠（Rousettus），通常發(fā)出時(shí)程極短（40～50 μs）的寬頻帶（可達(dá)80 kHz）聲音信號(hào)，它們也具有回聲定位能力［25］，但所受到的關(guān)注遠(yuǎn)少于CF-FM 和FM 蝙蝠（圖1 右）。通過從遺傳學(xué)角度比較3 類蝙蝠耳蝸轉(zhuǎn)錄組（cochlear transcriptomics），研究發(fā)現(xiàn)在基因表達(dá)方面，CFFM 蝙蝠與Click 蝙蝠間的差異要大于FM 蝙蝠與Click 蝙蝠間的差異，F(xiàn)M 蝙蝠與Click 蝙蝠之間差異較小，這些結(jié)果為3類回聲定位蝙蝠間的差異提供了遺傳學(xué)方面的證據(jù)［26］。很多回聲定位蝙蝠的發(fā)聲信號(hào)具有性別差異，如雄性普氏蹄蝠（Hipposideros pratti）（一種CF-FM 蝙蝠）回聲定位信號(hào)主頻（第二諧波的CF）高于雌性［27］。

Fig.1 Echolocation systems in bats.CF/FM:horseshoe bats,hipposiderids,and the neotropic moustached bat emit multiharmonic echolocation signals consisting of a long pure tone terminated by a brief FM component.CF/FM bats often forage within or close to dense vegetation FM.Most insectivorous bats foraging on the wing emit brief,downward-FM echolocation signals when approaching and catching a prey(FM).They often emit longer and only shallowly modulated signal when they search for prey(not shown).Gleaning bats and some flower visiting bats emit very brief signals over a broad frequency band(Click-like).These echolocation sounds are far less intense than those of FM and CF/FM bats[12]圖1 根據(jù)回聲定位蝙蝠所發(fā)出的聲音信號(hào)模式將其分為3大類型：恒頻-調(diào)頻（CF-FM）蝙蝠，通常發(fā)出由多個(gè)諧波構(gòu)成的回聲定位信號(hào)，在長(zhǎng)的純音尾端接一段短的下掃FM成分；FM蝙蝠，通常發(fā)出下掃較淺調(diào)制的FM信號(hào)；咔嚓樣聲（Click-like）蝙蝠又稱為撿食蝙蝠（gleaning bat），通常發(fā)出時(shí)間非常短的寬頻帶聲音信號(hào)［12］

2 蝙蝠的聽覺和回聲定位研究

回聲定位蝙蝠的體型大小及其聽覺功能的高度特化，使得它們具備了適合用于聽覺和回聲定位研究的諸多優(yōu)勢(shì)［5，9，28］，被相關(guān)領(lǐng)域的研究者認(rèn)為是良好的聽覺和回聲定位研究的模式動(dòng)物。

2.1 回聲定位蝙蝠聽覺系統(tǒng)的特化

蝙蝠聽覺系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)、傳導(dǎo)通路及功能與一般哺乳動(dòng)物類似。但由于該系統(tǒng)是蝙蝠回聲定位系統(tǒng)的組成部分之一，為適應(yīng)回聲定位的需要，聽覺系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能與非回聲定位動(dòng)物相比，產(chǎn)生了明顯的特化［5］，使該系統(tǒng)被“放大”，從方法學(xué)上為實(shí)驗(yàn)研究提供了便利。

2.1.1 外周聽覺系統(tǒng)的特化

蝙蝠的外周聽覺系統(tǒng)包括外耳、中耳和內(nèi)耳。外耳形狀多樣，顯現(xiàn)出對(duì)接收回聲定位信號(hào)的高度適應(yīng)。為了避免自身發(fā)出的高強(qiáng)度聲信號(hào)對(duì)耳蝸造成傷害，附著于鐙骨上的鐙骨肌特化成為特殊的聲幅度衰減結(jié)構(gòu)，在蝙蝠發(fā)出高強(qiáng)度回聲定位信號(hào)的一瞬間，可預(yù)收縮并向外拉動(dòng)鐙骨以降低對(duì)卵圓窗的撞擊，進(jìn)而削弱強(qiáng)聲信號(hào)對(duì)耳蝸的沖擊，一旦發(fā)聲完畢，鐙骨肌松弛恢復(fù)正常［29］。內(nèi)耳耳蝸不像一般哺乳動(dòng)物那樣牢固地嵌入顳骨內(nèi)或與之融合固化，而是懸掛于內(nèi)耳腔中，周圍有脂肪組織緩沖并衰減強(qiáng)聲引起的震動(dòng)。最新研究揭示，相較于實(shí)驗(yàn)室小鼠和非回聲定位蝙蝠，回聲定位蝙蝠耳蝸毛細(xì)胞高表達(dá)ISL1基因，這可能是蝙蝠能夠耐受高強(qiáng)度聲暴露的原因［30］。蝙蝠在捕食終末相發(fā)出的聲脈沖重復(fù)率高達(dá)200 Hz，鐙骨肌能以相同頻率產(chǎn)生收縮運(yùn)動(dòng)［5］。內(nèi)耳所占體重比非常大，內(nèi)耳耳蝸沿蝸軸旋繞2.5～3.5 圈，且底圈增大以適應(yīng)感受高頻率的回聲定位信號(hào)［5］，而靈長(zhǎng)類動(dòng)物耳蝸僅旋繞約1.75 圈［23］，采用腦核磁共振成像和組織學(xué)比較研究也顯示，使用CF-FM和FM聲脈沖進(jìn)行回聲定位的蝙蝠要比嚙齒類大鼠和小鼠有更大的耳蝸和更多的轉(zhuǎn)數(shù)（turns），這些差別可能與它們的回聲定位行為相關(guān)［31］。內(nèi)耳的結(jié)構(gòu)也極其精細(xì)，在CF-FM 蝙蝠中，對(duì)回聲定位信號(hào)第二諧波的CF（CF2）又稱為主頻（dominant frequency，DF）及其臨近頻率產(chǎn)生過度表征，并形成了一個(gè)被稱為“聽覺凹（auditory or acoustic fovea） ”的特化區(qū)［3，12，32］。該區(qū)域的神經(jīng)元具有極強(qiáng)的聲音強(qiáng)度耐受性和銳化的頻率調(diào)諧的能力，能精確感受和調(diào)諧多普勒頻率漂移，并鎖定昆蟲翅振產(chǎn)生的周期性頻率變化［33］。相比起來，F(xiàn)M蝙蝠這方面的特化并不明顯。近期研究還提示，蝙蝠耳蝸聽神經(jīng)螺旋神經(jīng)節(jié)的解剖學(xué)差異可能與蝙蝠類型的演化有關(guān)［20］。

2.1.2 中樞聽覺系統(tǒng)的特化

蝙蝠從延腦（medulla oblongata） 到聽皮質(zhì)（auditory cortex，AC），由多個(gè)（級(jí)）聽覺核團(tuán)構(gòu)成上行的中樞聽覺通路。

a. 耳蝸核（cochlear nucleus，CN）：在一些CF-FM蝙蝠，表現(xiàn)出CN核團(tuán)增大和細(xì)胞分化，尤其是神經(jīng)元分化出對(duì)來自“聽覺凹”頻率范圍的信號(hào)有精確的分析能力［4，34-35］。

b.上橄欖復(fù)合體（核）（superior olive complex or nucleus， SOC） 和 斜 方 體 核（nucleus of trapezoid body，NTB）：在結(jié)構(gòu)與功能方面與一般哺乳動(dòng)物相比，SOC 要比NTB 分化明顯，可分為不同亞核，其中內(nèi)側(cè)上橄欖核（medial SO）被認(rèn)為主要用于分析回聲定位信號(hào)到達(dá)雙耳的時(shí)間差［36］。

c. 外側(cè)丘系核（nucleus of lateral lemniscus，NLL）：蝙蝠的NLL也不乏出現(xiàn)某些特化［37］。有些亞核出現(xiàn)體積增大，甚至出現(xiàn)不同的功能區(qū)［38］，一些神經(jīng)元也表現(xiàn)出對(duì)回聲定位信號(hào)諧波的聯(lián)合［39］，以及對(duì)FM掃頻方向［40］敏感等。

d.下丘（inferior colliculus，IC）：蝙蝠中腦的IC 是聽覺中樞上、下行投射的重要中繼站和整合中樞［6，41］。與其他哺乳動(dòng)物相比，蝙蝠IC 更為發(fā)達(dá)，在大腦中占據(jù)了很大比例，且外凸擴(kuò)展覆蓋了部分上丘（superior colliculus，SC）。IC 的頻率表征排布成等（同）頻層狀，頻率變化沿背腹軸由低到高［5］。頻率層的厚度與蝙蝠回聲定位信號(hào)頻率相關(guān)，如FM蝙蝠大棕蝠常用回聲定位信號(hào)頻率為20～30 kHz，在IC 就 占 據(jù) 了 較 大 比 例［42］；而CF-FM蝙蝠胡須蝠“聽覺凹”60～63 kHz的窄段頻率等頻層高度擴(kuò)展［12，43］。IC 神經(jīng)元在回聲定位方面也具有了高度的適應(yīng)性和選擇性。相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)，在蝙蝠中腦內(nèi)存在延遲調(diào)諧［44］、多普勒頻率漂移補(bǔ)償［45］，以及對(duì)自然聲信號(hào)具有選擇性［46］等特性的神經(jīng)元，顯示出其特化與回聲定位行為上的匹配，這種特化或許由適應(yīng)其生境需要所驅(qū)動(dòng)的演化所致。

e. 內(nèi) 側(cè) 膝 狀 體（medial geniculate body，MGB）：蝙蝠丘腦MGB 可分為不同的亞核，主要接受同側(cè)IC的上行投射和同側(cè)聽皮質(zhì)（AC）的下行投射。為適應(yīng)回聲定位，MGB 與聽覺相關(guān)的神經(jīng)元產(chǎn)生了某些方面的特化，其中70%神經(jīng)元對(duì)CF1與CF2聯(lián)合敏感，30%神經(jīng)元對(duì)CF1與CF3聯(lián)合敏感，而對(duì)FM1與FM2、FM1與FM3聯(lián)合敏感神經(jīng)元的比例基本相當(dāng)，另外，還存在對(duì)聲時(shí)程敏感［47-49］以及對(duì)延遲調(diào)諧聯(lián)合敏感性（delay-tuned combination sensitivity）［50］的神經(jīng)元。

f. 聽皮質(zhì)（AC）： 通常指初級(jí)聽皮質(zhì)（primary AC，AI），是聽覺信息加工的高級(jí)中樞，在整個(gè)蝙蝠腦皮質(zhì)中占據(jù)了相當(dāng)大的比例，但對(duì)其所做的研究相對(duì)少于皮質(zhì)下的一些聽覺結(jié)構(gòu)。在FM 蝙蝠大棕蝠的AC 研究發(fā)現(xiàn)，頻率表征沿前后軸依次按前高后低的順序排布，相同頻率的神經(jīng)元由內(nèi)到外排布成同頻帶，而每個(gè)同頻帶內(nèi)的神經(jīng)元又形成若干貫穿于整個(gè)皮質(zhì)厚度的柱狀組構(gòu)，同一柱內(nèi)的神經(jīng)元具有相似的聲反應(yīng)特性。為適應(yīng)回聲定位，在CF-FM 蝙蝠-胡須蝠的AC 形成了分區(qū)的功能模塊［32，51-52］，如多普勒恒頻漂移區(qū)（Dopplershift CF area，DSCF）、CF/CF 多普勒漂移幅度區(qū)（Doppler magnitude），以及FM/FM 回聲延遲或靶物距離區(qū)（echo-delay or target range）等，各模塊內(nèi)的神經(jīng)元有各自的反應(yīng)特性［5，11］。

2.2 蝙蝠的聽覺與回聲定位

由于回聲定位蝙蝠的聽覺系統(tǒng)與回聲定位系統(tǒng)密不可分。在過去80 多年的時(shí)間里，以回聲定位蝙蝠為模型，在神經(jīng)生物學(xué)層面，對(duì)其聽覺及回聲定位做了大量的研究，對(duì)其所取得的成果和認(rèn)識(shí)，在先前的一些報(bào)道和專著中均做過相應(yīng)的評(píng)述［5，11，53-54］，主要聚焦在以下幾方面。

2.2.1 動(dòng)態(tài)的反應(yīng)潛伏期

神經(jīng)元反應(yīng)的潛伏期隨刺激條件尤其是刺激強(qiáng)度的改變而呈現(xiàn)動(dòng)態(tài)改變的特性，也是所有可興奮細(xì)胞對(duì)刺激反應(yīng)共有的基本特性之一。然而，對(duì)于蝙蝠不僅僅是基本特性，也是回聲定位行為調(diào)控的一部分［11］。不同種類動(dòng)物的AC神經(jīng)元反應(yīng)特性不同，猴、貓的AC神經(jīng)元通常對(duì)聲刺激呈現(xiàn)出持續(xù)型或緊張型反應(yīng)（sustained or tonic response）［55］；而蝙蝠的AC神經(jīng)元反應(yīng)往往呈現(xiàn)出非常短暫的相位型反應(yīng)，這種反應(yīng)模式的神經(jīng)元也大量存在于蝙蝠AC下的聽覺核團(tuán)內(nèi)［56］。那些短暫反應(yīng)的潛伏期還顯示出一種重要的功能特性，即有較長(zhǎng)潛伏期的神經(jīng)元有較尖銳的回聲-延遲調(diào)諧，而有較短潛伏期的神經(jīng)元?jiǎng)t有較寬的回聲-延遲調(diào)諧［57］。因此，在每次回聲定位叫聲后，蝙蝠AC神經(jīng)元群便啟動(dòng)表達(dá)關(guān)于靶物粗略的位置信息，然后隨時(shí)間推移，超速地銳化聽像，與采用多重分辨成像加工算法銳化視覺圖像［57］。類似這種短潛伏期神經(jīng)元還能跟隨蝙蝠捕食終末相的高聲脈沖重復(fù)率，成為聽覺系統(tǒng)快速采集靶物信息的一種重要手段，與其捕食行為相匹配［58］。Sallesa等［59］研究顯示，蝙蝠發(fā)出的高頻率回聲定位聲脈沖，能以類似于“高速攝影”的方式進(jìn)行“聲學(xué)快照（acoustic snapshot）”，以采集并累積信息來判斷聽覺目標(biāo)的移動(dòng)。

2.2.2 頻率調(diào)諧和“聽覺凹”

頻率調(diào)諧是人和動(dòng)物聽覺系統(tǒng)的一項(xiàng)基本的聽覺功能，但回聲定位蝙蝠，尤其是CF-FM 蝙蝠，對(duì)頻率調(diào)諧的能力和精準(zhǔn)程度遠(yuǎn)勝于人和其他動(dòng)物。如CF-FM 蝙蝠胡須蝠和馬蹄蝠，顯示出異常銳化的頻率調(diào)諧，從耳蝸到聽皮質(zhì)的整個(gè)上行聽覺通路，回聲定位信號(hào)主頻CF 成分被過度表征，形成了一個(gè)類似于視網(wǎng)膜“中央凹”的結(jié)構(gòu)，稱其為“聽覺凹”［11-12，32］。該區(qū)域的神經(jīng)元具有尖銳的頻率調(diào)諧曲線，可滿足蝙蝠探測(cè)靶物回聲多普勒頻率漂移（Doppler shifts）的需要，聽覺系統(tǒng)或可從中計(jì)算出昆蟲移動(dòng)的速度，以及探測(cè)出由昆蟲翅振引起的快速多普勒調(diào)制［5］。近期的研究還顯示，普氏大蹄蝠（Hipposideros pratti）IC神經(jīng)元對(duì)回聲定位行為相關(guān)的第二諧波CF（即主頻）成分具有尖銳的頻率調(diào)諧和很高的選擇性［60］，而且尖銳的頻率調(diào)諧可能參與蝙蝠在噪聲條件下的回聲定位信號(hào)加工［61］。

2.2.3 聲時(shí)程調(diào)諧

聲時(shí)程是回聲定位蝙蝠發(fā)聲信號(hào)主動(dòng)改變的參數(shù)之一［11］。聲時(shí)程調(diào)諧或選擇性神經(jīng)元（durationtuned or selective neurons）最先在蛙的聽覺中腦內(nèi)被發(fā)現(xiàn)［62-63］。后來在蝙蝠、小鼠以及大鼠等動(dòng)物的中腦和聽皮質(zhì)中均發(fā)現(xiàn)存在有時(shí)程調(diào)諧神經(jīng)元［63-65］，可見時(shí)程調(diào)諧是一種跨脊椎動(dòng)物物種的神經(jīng)生物學(xué)特性［66］。這種功能特性對(duì)于在聽覺加工過程中從感覺輸入中提取時(shí)相信息至關(guān)重要［64，67-68］。蝙蝠聽中樞的時(shí)程調(diào)諧神經(jīng)元呈現(xiàn)出低通、高通和帶通等不同的類型，可能是為了匹配對(duì)回聲定位信號(hào)時(shí)相信息加工的需要，從而在對(duì)叫聲時(shí)相快速動(dòng)態(tài)變化中的時(shí)相特征加工方面發(fā)揮重要作用［11，69］。這些時(shí)程調(diào)諧神經(jīng)元不僅提供了一種編碼聲音時(shí)相特征的重要神經(jīng)機(jī)制，而且也與頻率調(diào)諧和神經(jīng)組構(gòu)有關(guān)。通過記錄清醒大棕蝠IC單個(gè)神經(jīng)元的反應(yīng)，測(cè)定聽時(shí)程調(diào)諧神經(jīng)元的波譜-時(shí)相調(diào)諧特性及沿IC背-腹的分布位置，結(jié)果顯示波譜時(shí)相敏感性和空間組構(gòu)在IC 有兩種模式：具有銳化的頻率調(diào)諧和寬的時(shí)程調(diào)諧特性的神經(jīng)元位于背側(cè)IC，而那些具有寬的波譜調(diào)諧和窄的時(shí)相調(diào)諧的神經(jīng)元?jiǎng)t位于腹側(cè)IC［70］。另有研究還發(fā)現(xiàn)，在清醒大棕蝠的聽覺中腦不僅存在時(shí)程調(diào)諧神經(jīng)元，而且還存在能解碼刺激時(shí)程的神經(jīng)元［71］。

2.2.4 回聲-延遲（靶物距離）調(diào)諧神經(jīng)元

研究發(fā)現(xiàn)，在好幾種回聲定位蝙蝠的聽覺中樞均含有回聲-延遲調(diào)諧神經(jīng)元，這些神經(jīng)元被認(rèn)為參與蝙蝠對(duì)靶物距離的判斷。例如，當(dāng)用特定時(shí)間間隔的聲信號(hào)來模擬“脈沖-回聲對(duì)”刺激時(shí)，這些神經(jīng)元顯示出易化反應(yīng)（facilitated responses），在最佳時(shí)間間隔即最佳延遲時(shí)反應(yīng)達(dá)到最大［5，11-12，57，72］。研 究 發(fā) 現(xiàn)，大 棕 蝠 中 腦 上 丘（midbrain superior colliculus）［73］、丘腦和聽皮質(zhì)［50］均發(fā)現(xiàn)有回聲-延遲調(diào)諧神經(jīng)元，這些神經(jīng)元不僅能對(duì)回聲-延遲進(jìn)行調(diào)諧，而且也能對(duì)回聲的方位角（azimuth）和俯仰（elevation）方位進(jìn)行調(diào)諧，從而在靶物位置的三維（3D）表征方面發(fā)揮重要作用［11］。一直以來認(rèn)為蝙蝠需要將回聲延遲時(shí)間轉(zhuǎn)換成為距離以評(píng)估獵物的距離，它們是通過學(xué)習(xí)來掌握這種關(guān)系，還是生來就已經(jīng)編碼好存于腦內(nèi)，且在成年后還能調(diào)整？針對(duì)該問題，近期的研究發(fā)現(xiàn)，新生和成年蝙蝠均不能對(duì)其進(jìn)行調(diào)整，提示聲速在蝙蝠腦內(nèi)被先天編碼，而且，還提示蝙蝠按照時(shí)間來編碼外部世界，并不將時(shí)間轉(zhuǎn)換成為距離，這些結(jié)果解釋了先天的演化和靈活的感官知覺［74］。

2.2.5 神經(jīng)元對(duì)回聲定位行為相關(guān)聲信號(hào)的反應(yīng)和加工模式

蝙蝠的聽覺系統(tǒng)能夠高效地識(shí)別和處理行為相關(guān)聲信號(hào)［75］。行為學(xué)研究顯示，在回聲定位過程中，CF-FM蝙蝠回聲定位信號(hào)CF成分主要用來分析速度相關(guān)信息，而FM成分主要用來分析距離以及靶物細(xì)節(jié)信息［32，76］。近年來，采用與大蹄蝠和普氏蹄蝠回聲定位行為相關(guān)的CF-FM 聲刺激，記錄下丘單個(gè)神經(jīng)元的聲反應(yīng)特性，發(fā)現(xiàn)下丘神經(jīng)元對(duì)這種行為相關(guān)的CF-FM 聲信號(hào)表現(xiàn)出single-on（SO）和double-on（DO）兩種反應(yīng)模式，SO神經(jīng)元對(duì)僅在CF-FM聲刺激CF成分的開始產(chǎn)生1次on反應(yīng)，而DO神經(jīng)元在CF-FM聲刺激CF成分和FM成分的開始分別產(chǎn)生1 次on 反應(yīng)［77-78］。進(jìn)一步研究還發(fā)現(xiàn)，與SO 神經(jīng)元相比，DO 神經(jīng)元具有較短的反應(yīng)潛伏期、恢復(fù)周期以及頻率選擇性，提示兩種類型的神經(jīng)元可能在蝙蝠回聲定位的不同時(shí)相發(fā)揮作用［60，79-80］，可見SO 和DO 反應(yīng)為回聲定位行為相關(guān)的聲反應(yīng)。采用在體細(xì)胞內(nèi)記錄的方法研究行為相關(guān)聲反應(yīng)的形成機(jī)制，發(fā)現(xiàn)SO神經(jīng)元的鋒電位后超極化（post-spike hyperpolarization，PSH）的持續(xù)時(shí)間顯著高于DO 神經(jīng)元［78］，且SO神經(jīng)元的PSH 不受聲刺激時(shí)程和強(qiáng)度的影響，而DO 神經(jīng)元的PSH 隨著CF 時(shí)程和強(qiáng)度的增加而縮短［81］。這種較長(zhǎng)時(shí)間的PSH 可能抑制了FM 成分誘發(fā)的反應(yīng)，使神經(jīng)元表現(xiàn)為SO反應(yīng)。為比較行為相關(guān)聲反應(yīng)的物種差異，采用CF、FM 和CF-FM 聲刺激，記錄了CF-FM （Hipposideros pratti）和FM（Pipistrellus abramus）蝙蝠的下丘誘發(fā)電位反應(yīng)。所獲得結(jié)果顯示，CF 聲誘發(fā)CF-FM 蝙蝠產(chǎn)生on-off 反應(yīng)，而FM 蝙蝠對(duì)CF 和FM聲刺激均只能產(chǎn)生on反應(yīng)，提示2種類型的蝙蝠可能存在種屬特異性的神經(jīng)回路。然而，當(dāng)用CF-FM聲刺激時(shí)，2種蝙蝠下丘均能對(duì)CF和FM成分產(chǎn)生誘發(fā)電位反應(yīng)，推測(cè)回聲定位蝙蝠可能存在共性的神經(jīng)回路［82］。

行為相關(guān)聲信號(hào)的加工具有噪聲耐受性［83］。人或動(dòng)物可通過聲信息交流獲取目標(biāo)信息，以適應(yīng)生活、生存以及繁殖的需要。然而，自然環(huán)境中不可避免地存在一定程度的噪聲，包括生物噪聲及非生物噪聲，可能會(huì)對(duì)聲信息的識(shí)別和加工存在影響。研究顯示，斑胸草雀、雪貂等動(dòng)物聽覺高位核團(tuán)（如聽皮層）神經(jīng)元對(duì)行為相關(guān)聲信號(hào)的反應(yīng)不受背景噪聲的影響［84-86］，這可能是行為相關(guān)聲信號(hào)的加工具有噪聲耐受性的機(jī)制。在普氏蹄蝠上的研究顯示，在背景噪聲條件下，普氏蹄蝠會(huì)提高回聲定位信號(hào)的強(qiáng)度，但維持回聲定位信號(hào)的主頻不變。在體電生理記錄顯示，調(diào)諧在回聲定位信號(hào)第二諧波的下丘神經(jīng)元（H2 神經(jīng)元）在相同的背景噪聲下聽覺閾值增加，且增加量與發(fā)聲強(qiáng)度增加量匹配，而下丘神經(jīng)元的最佳頻率以及頻率選擇性不受背景噪聲的影響，結(jié)果提示普氏蹄蝠下丘神經(jīng)元在背景噪聲條件下的聲反應(yīng)特性與其回聲定位行為相適應(yīng)［61，87］。

2.2.6 皮質(zhì)功能組構(gòu)模塊化

對(duì)胡須蝠的聽皮質(zhì)研究顯示，根據(jù)神經(jīng)元的反應(yīng)特性可劃分為不同的功能模塊，分別處理不同的回聲信息［11］（圖2）。在DSCF，含有特化的對(duì)昆蟲翅振（wing flutter or beat）引起的多普勒頻率漂移敏感的快速多普勒調(diào)制神經(jīng)元；在CF/CF區(qū)則含有選擇性地對(duì)多普勒漂移幅度即靶物速度敏感的神經(jīng)元；而FM/FM 區(qū)含有選擇性地對(duì)回聲延遲或靶物距離反應(yīng)的神經(jīng)元［5，51-52，88］。在蝙蝠AC 上研究所發(fā)現(xiàn)的功能特化區(qū)或模塊化區(qū)，實(shí)質(zhì)上也是對(duì)感覺皮質(zhì)局部區(qū)域特化觀念提供了一個(gè)重要佐證［11］。有趣的是，研究還發(fā)現(xiàn)這些皮質(zhì)區(qū)除了對(duì)蝙蝠的聲納叫聲產(chǎn)生反應(yīng)外，也對(duì)它們的通訊叫聲起反應(yīng)［89］，提示對(duì)這些腦區(qū)基本作用的認(rèn)識(shí)不能完全局限于傳統(tǒng)。然而，這種令人稱奇的功能組構(gòu)并未在FM蝙蝠的聽皮質(zhì)上發(fā)現(xiàn)［5］，為何種類間的差異如此之大？這個(gè)問題或許要借助一種新的能將一個(gè)給定皮質(zhì)區(qū)所有神經(jīng)元的反應(yīng)有效成像的光學(xué)記錄技術(shù)，以及學(xué)科間的聯(lián)合來解決［90］。盡管如此，但對(duì)蒼白蝠（Antrozous pallidus）（一種FM 蝙蝠）聽皮質(zhì)的研究，仍不乏有新的發(fā)現(xiàn)，觀察到在反應(yīng)上具有選擇性的兩個(gè)分離區(qū)，功能上也明顯不同，分別負(fù)責(zé)回聲定位和對(duì)獵物產(chǎn)生的噪聲進(jìn)行定位，通過比較噪聲選擇區(qū)和回聲定位區(qū)即FM掃頻選擇區(qū)神經(jīng)元之間的空間感受野，結(jié)果提示這兩種不同的聲定位行為的機(jī)制可能不同［91］。在另一種FM蝙蝠——游離尾蝙蝠（Tadarida brasiliensis）聽皮質(zhì)上研究也發(fā)現(xiàn)，它們對(duì)所發(fā)出FM回聲定位信號(hào)的掃頻方向選擇性呈現(xiàn)出一種層狀組構(gòu)［92］。這些研究提示，F(xiàn)M蝙蝠聽中樞某些功能相關(guān)的組構(gòu)模式不是完全沒有蹤跡可尋，相信隨著研究的不斷深入，那些潛在的或隱匿的奧秘最終會(huì)見端倪。

Fig.2 Electrically functional organisation of the auditory cortex of P.Parnellii with an auditory fovea圖2 CF-FM蝙蝠胡須蝠（P.parnellii）聽皮質(zhì)的電生理上不同的功能分區(qū)或模塊化

2.2.7 中樞對(duì)聲信號(hào)加工的神經(jīng)調(diào)控

以回聲定位蝙蝠為模式動(dòng)物，在中樞聲信號(hào)加工的調(diào)控及其對(duì)可塑性的影響方面做了諸多研究，包括高位中樞對(duì)低位中樞的離皮質(zhì)調(diào)控［93-94］、不同中樞間的相互作用與調(diào)控［95-97］、雙側(cè)同中樞間的相互作用［98］，以及同一中樞內(nèi)細(xì)胞間的相互作用［99-100］。20 世紀(jì)末，在大棕蝠［93］和胡須蝠［94］上發(fā)起了一系列有關(guān)離皮質(zhì)調(diào)控的研究，證實(shí)了蝙蝠腦內(nèi)存在對(duì)聽覺輸入精細(xì)的離皮質(zhì)調(diào)控機(jī)制。研究發(fā)現(xiàn)，這種調(diào)控作用是多方面的，如離皮質(zhì)調(diào)控系統(tǒng)能影響蝙蝠下丘聽敏感性［93，101］，改變下丘神經(jīng)元的各類強(qiáng)度-發(fā)放率函數(shù)［102］等；而另一些研究發(fā)現(xiàn)，電刺激大棕蝠聽皮質(zhì)可影響同側(cè)IC 神經(jīng)元對(duì)聲信號(hào)強(qiáng)度和頻率的敏感性［103-104］，并調(diào)制神經(jīng)元的聲反應(yīng)和頻率調(diào)諧［105］，以及調(diào)制聽覺系統(tǒng)對(duì)聲頻率信息處理和生物聲納時(shí)間域信息的處理［94，106］，且其調(diào)制作用不僅可以影響即時(shí)的聲信號(hào)加工，還可引起聽覺系統(tǒng)出現(xiàn)可塑性的改變［107-108］。離皮質(zhì)調(diào)控還能影響聽覺外周-耳蝸內(nèi)毛細(xì)胞對(duì)聲刺激的敏感性［109-110］。用電生理方法從功能上對(duì)離皮質(zhì)調(diào)控通路研究，結(jié)果顯示有不同的路徑。如電刺激內(nèi)側(cè)膝狀體，觀察到皮質(zhì)對(duì)下丘的反饋調(diào)控可通過下丘-內(nèi)側(cè)膝狀體-皮質(zhì)-下丘環(huán)路來完成［111］；當(dāng)用電刺激聽皮質(zhì)，同時(shí)在下丘中央核和外側(cè)核記錄其反應(yīng)，并采用可逆性阻斷的方法，發(fā)現(xiàn)亦存在一條皮質(zhì)-下丘外側(cè)核（ICx）-下丘中央核（ICc）的下行反饋通路［103］。它們對(duì)皮質(zhì)下聲信號(hào)加工，以及在成年后為適應(yīng)環(huán)境而產(chǎn)生可塑性改變等，均提供了一種結(jié)構(gòu)和功能的保障。

2.2.8 目標(biāo)選擇性神經(jīng)元與尺度不變性

蝙蝠在巡航、捕食和歸巢過程中，需要從回聲中選擇出那些有意義的目標(biāo)或物體，包括捕食對(duì)象和巡航與歸巢的參照物等。研究發(fā)現(xiàn)，蝙蝠在追蹤某個(gè)空間目標(biāo)時(shí)，它們能通過調(diào)節(jié)其口形聚焦聲納場(chǎng)和調(diào)控發(fā)聲信號(hào)的聲納束以鎖定目標(biāo)［112-115］。提示蝙蝠可以成為探討聽覺目標(biāo)神經(jīng)表征的一個(gè)極好的模型［11］。由此可見，在人類知道用雷達(dá)聚焦和鎖定目標(biāo)之前，蝙蝠使用這種技能已經(jīng)先于人類千萬年。有研究證實(shí)，在蝙蝠的聽皮質(zhì)內(nèi)存在目標(biāo)或物體選擇性神經(jīng)元，這些神經(jīng)元對(duì)聽覺目標(biāo)以一種尺度不變性或大小恒常性方式產(chǎn)生反應(yīng)［11，116-118］。根據(jù)回聲對(duì)植物進(jìn)行分類的研究主要集中在FM蝙蝠［119-120］，因?yàn)镕M信號(hào)比CF信號(hào)能提供更精確的時(shí)間信息和更豐富的頻率信息，有利于在捕食過程中對(duì)植物進(jìn)行區(qū)分和質(zhì)地探測(cè)［23，121］。由于蝙蝠的飛行、植物生長(zhǎng)造成的大小改變等，均可使發(fā)出的聲信號(hào)至靶物的入射角度出現(xiàn)差異，但它們卻不會(huì)造成蝙蝠對(duì)靶物的屬性和類型判斷的失真，這是由于蝙蝠從不同入射角度所反射的一系列回波中提取一些共同的特征，這些特征中含有靶物屬性和類別信息［119］。Müller 和Kuc［122］在實(shí)驗(yàn)中研究了不同角度的發(fā)聲在不同類型的植物中產(chǎn)生的回聲效果差異，結(jié)果顯示聲波入射角度對(duì)回聲的影響因植物類型的不同而不同。比如，無花果的葉子在自然狀態(tài)下表現(xiàn)出一定的方向性特征，而紫杉葉片卻沒有方向性特征，這些差異中可能就含有屬性和類型信息。再例如，某種植物在某個(gè)入射角度的某個(gè)參數(shù)值比另一種植物大，那么在其他入射角度的該參數(shù)值也仍會(huì)比較大，但程度可能會(huì)有所不同［122］。這個(gè)結(jié)果或許可以解釋回聲定位蝙蝠是如何保持在不同發(fā)聲角度下對(duì)靶物屬性和類型做出判斷的［119］。回聲中含有的靶物屬性和類型信息不隨靶物體積大小而改變的特性稱為尺度或大小不變性。這與視覺視物類似，對(duì)同一類型的物體，不會(huì)因其大小不同而改變對(duì)物體屬性和類型的正確判斷。von Helversen［123］的實(shí)驗(yàn)證明，在完全黑暗條件下，長(zhǎng)舌葉鼻蝠（Glossophaga soricina）能夠?qū)W會(huì)區(qū)分相同半徑和深度的空心半球與拋物面，并能擴(kuò)展在訓(xùn)練階段所提取的回聲聲學(xué)特征，且這些特征與靶物大小無關(guān)。他認(rèn)為，尺度不變性分類的線索，可能與這兩種靶物所反射的回聲對(duì)發(fā)聲信號(hào)入射角度改變的依賴性不同有關(guān)，如空心半球可保持恒定，而拋物面可隨之改變。并/或與回聲的“音質(zhì)”和頻譜模式有關(guān)，而與絕對(duì)音高無關(guān)，猶如歌唱家所演唱的歌曲是否美妙動(dòng)聽和打動(dòng)人，與其絕對(duì)聲高無關(guān)，而與音域的寬窄、音質(zhì)的好壞和理解歌曲所賦予的情感有關(guān)［123］。有人將呈現(xiàn)給蒼白矛吻蝠（Phyllostomus discolor）回聲的頻譜時(shí)相特性轉(zhuǎn)換成人工元音的形式后呈現(xiàn)給人聽，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明蝙蝠的尺度不變性或大小恒常性分類能力與人類對(duì)人工元音的分類能力非常相似［117，124］，該結(jié)果為哺乳動(dòng)物在聽覺的尺度不變性方面遵循共同機(jī)制的假說提供了實(shí)驗(yàn)證據(jù)。人們利用上述研究和發(fā)現(xiàn)來為人類服務(wù)，在一項(xiàng)人類借助回聲定位來探測(cè)封閉空間的研究中，所取得成果令人鼓舞［125］；時(shí)變回聲信息不僅讓蝙蝠對(duì)靶物幾何形狀識(shí)別的效果顯著，而且對(duì)人類利用回聲定位亦具有重要的啟示作用［126］。

2.2.9 3D空間定位和導(dǎo)航

無論回聲定位蝙蝠導(dǎo)航是瞬間的，還是借助短期記憶或長(zhǎng)期記憶，均離不開使用回聲定位來“查看”周圍環(huán)境和標(biāo)志物，產(chǎn)生的感覺輸入激活不同類型的導(dǎo)航細(xì)胞實(shí)現(xiàn)成功導(dǎo)航。近些年來，Ulanovsky及其團(tuán)隊(duì)以蝙蝠為模型，開展了3D定位和導(dǎo)航研究，取得了一系列令人矚目的成果［127］。他們?cè)隍鹕喜粌H發(fā)現(xiàn)了與大鼠［128］等動(dòng)物相似的位置細(xì)胞（place cell）和網(wǎng)格細(xì)胞（grid cell），也發(fā)現(xiàn)了某些新類型的導(dǎo)航細(xì)胞，以及那些與大鼠相同類型的導(dǎo)航細(xì)胞在3D 空間下的反應(yīng)和細(xì)胞域差異［129］。蝙蝠大腦不僅能對(duì)頭部方位進(jìn)行3D 編碼［11，130］和表征［131］，而且腦內(nèi)頭方位系統(tǒng)中的混合維度神經(jīng)元還能進(jìn)行最佳的動(dòng)態(tài)編碼［132］，表明蝙蝠完全能根據(jù)它們聲納發(fā)聲回聲攜帶的信息計(jì)算出外界物體在3D 空間的位置。 Yartsev 和Ulanovsky［133］訓(xùn)練埃及果蝠在房間中自由飛行，用無線神經(jīng)-遙測(cè)技術(shù)記錄埃及果蝠海馬CA1 區(qū)的單細(xì)胞放電，同時(shí)用高速攝像機(jī)記錄蝙蝠的位置信息，結(jié)果顯示，海馬CA1 區(qū)位置細(xì)胞的位置域是各向同性的，且在較大房間時(shí)位置域也較大，并能涵蓋這兩種大小的空間。采用實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)自由活動(dòng)動(dòng)物頭部朝向的3個(gè)歐拉角：水平方位角（azimuth）、俯仰角（pitch）以及翻滾角（roll），同時(shí)用無線神經(jīng)-遙測(cè)技術(shù)記錄埃及果蝠背側(cè)前海馬回（dorsal presubiculum）單個(gè)細(xì)胞的放電，結(jié)果顯示，背側(cè)前海馬回區(qū)存在azimuth、pitch 和roll 調(diào)諧神經(jīng)元（分別稱之為azimuth細(xì)胞、pitch細(xì)胞和roll細(xì)胞），且azimuth 調(diào)諧細(xì)胞的特性與大鼠頭部朝向細(xì)胞類似。同時(shí)，亦存在雙聯(lián)合調(diào)諧細(xì)胞和三聯(lián)合調(diào)諧細(xì)胞，分別對(duì)3個(gè)或其中2個(gè)方位角進(jìn)行調(diào)諧。蝙蝠屬于社會(huì)性和群居動(dòng)物，有研究發(fā)現(xiàn)，在蝙蝠海馬CA1區(qū)有部分細(xì)胞可以表征其他蝙蝠的位置信息，還有部分可以表征移動(dòng)的非生命物體的位置信息，這些細(xì)胞可能通過社交傳感，專門負(fù)責(zé)獲取環(huán)境中其他蝙蝠蹤跡及其位置的信息，因此將它們稱為社交位置細(xì)胞［134］。蝙蝠飛行期間對(duì)3D 空間的動(dòng)態(tài)表征不僅存在于大腦皮質(zhì)，也存在于皮質(zhì)下的聽覺中腦［131］。不同部位及不同類型的導(dǎo)航細(xì)胞如何整合并指導(dǎo)行為，細(xì)節(jié)仍不清楚，但目前認(rèn)為，蝙蝠在3D 空間和飛行狀態(tài)下，腦內(nèi)幾種主要類型的導(dǎo)航細(xì)胞能在航程中各自行使相應(yīng)的功能，引導(dǎo)蝙蝠直達(dá)目的地［129］（圖3）。Ulanovsky 等對(duì)蝙蝠大腦3D 空間定位和導(dǎo)航研究的成果，受到廣泛關(guān)注，被Abbott 在Nature 上撰文做了專題報(bào)道［129］，并被列為2019 年《自然》（Nature）十大科學(xué)專題報(bào)道之一［127］。

Fig.3 Schematic graph shows three-dimension navigation and navigation cells’functions of bats圖3 蝙蝠3D導(dǎo)航及不同導(dǎo)航細(xì)胞的作用模式圖

3 展望

該領(lǐng)域的研究者將繼續(xù)以蝙蝠為模型，從多學(xué)科、多層面來開展蝙蝠回聲定位研究，以下幾方面的問題有可能會(huì)受到更多關(guān)注：a.生物聲納系統(tǒng)的各基本組成部分在腦內(nèi)彼此連通的界面部位在何處？是1個(gè)還是多個(gè)？彼此間的關(guān)系等目前仍不十分清楚。b.快速將感覺信息轉(zhuǎn)換成為運(yùn)動(dòng)動(dòng)作以回避障礙物和捕獲獵物，轉(zhuǎn)換的中樞部位如皮質(zhì)和皮質(zhì)下如何分工？c.通過回聲定位，快速對(duì)復(fù)雜的聽境分析選擇出有用的目標(biāo)或靶物，該過程和能力有多少是屬于先天遺傳的，又有多少是屬于后天習(xí)得的？d.目前關(guān)于尺度不變性的研究雖然已受到不少關(guān)注，但由于其機(jī)制十分復(fù)雜，致使研究依然局限于對(duì)相對(duì)簡(jiǎn)單靶物的分析，對(duì)于蝙蝠如何對(duì)環(huán)境中諸多復(fù)雜靶物保持尺度不變性，仍有待進(jìn)一步研究。e.在蝙蝠的3D 導(dǎo)航研究方面，蝙蝠各類導(dǎo)航細(xì)胞獲取的信息如何進(jìn)行整合？不同的功能神經(jīng)元群和腦區(qū)之間怎樣協(xié)作？空間導(dǎo)航認(rèn)知與地磁導(dǎo)航之間是何種關(guān)系，怎樣進(jìn)行協(xié)調(diào)和整合？總之，人們通過數(shù)十年來對(duì)蝙蝠聽覺系統(tǒng)和回聲定位的研究，大量研究設(shè)計(jì)的原理得到證實(shí)。所取得的成果不僅具有基礎(chǔ)理論認(rèn)識(shí)方面的價(jià)值，同樣也對(duì)多領(lǐng)域具有潛在的實(shí)際應(yīng)用方面的價(jià)值，包括與人體健康相關(guān)的臨床應(yīng)用價(jià)值，與機(jī)器智能化仿生研究及開發(fā)相關(guān)的價(jià)值等，例如，在醫(yī)學(xué)超聲診斷和航空目標(biāo)探測(cè)方面，同樣存在目標(biāo)的識(shí)別、區(qū)分和鎖定等，若研制出的臨床超聲探測(cè)診斷儀器的空間分辨率能達(dá)到微米級(jí)，則有可能分辨出單個(gè)機(jī)體細(xì)胞的病變，其意義不言而喻，在農(nóng)業(yè)機(jī)器人領(lǐng)域，對(duì)植物的探測(cè)分類可用以合理控制和除去雜草等。