神經生物學探索：揭示蝙蝠如何識別不同聲音
在中南美洲的熱帶與亞熱帶森林中，有一種名為Seba的短尾蝙蝠（Carollia perspicillata），它主要以胡椒果為食。這些動物白天常在樹洞或岩洞中成群結隊地聚集，夜晚則一起外出覓食。它們用聲音進行交流，在群落中創造了一種獨特的環境噪音——就像熱鬧派對中的喧嘩聲。
同時，這些蝙蝠還利用發聲來導航，這種現象被稱為回聲定位。它們發出超聲波，這些聲波會反射在固體表面上。然後，動物們將這些回聲組合成對周圍環境的「影像」。
但Seba短尾蝙蝠是如何從持續的環境噪音中過濾出重要聲音的呢？一種普遍的解釋是大腦不斷預測下一個信號，並對意外的信號反應更強烈。這被稱為「偏差檢測」，約翰尼斯·韋特卡姆和曼弗雷德·科斯爾教授領導的神經生物學家小組正在探索其機制。
與同事們的合作下，他們在2021年已經證明信號處理不是從大腦的高級區域開始，而是已經在腦幹中開始了，腦幹負責控制呼吸和心率等生命功能。然而，這些研究只使用了對動物來說沒有意義的人工刺激。
在最新的研究中，韋特卡姆和科斯爾的研究團隊進行了一系列實驗，他們使用了Seba短尾蝙蝠在自然環境中會聽到的交流聲和回聲定位聲。韋特卡姆解釋說：「我們想弄清楚，當這些蝙蝠聽到它們平常會聽到的聲音，而不是一些沒意義的聲音時，牠們的大腦如何做出反應。」
為此，他們在蝙蝠的頭皮下插入了兩根與人類頭髮粗細相當的電極，以記錄它們的腦電波。雖然這對動物來說是無痛的，但測量是在全身麻醉下進行的，因為任何動作都可能扭曲結果。
即使在麻醉和熟睡狀態下，蝙蝠的大腦也會對聲音做出反應。然後，他們向動物播放了回聲定位叫聲或交流叫聲，每種聲音夾雜著另一種聲音，出現的機率為10%。
腦幹能分辨「回聲」與「交流聲」的差異
從測量的腦電波中可以讀出，腦幹以不同的方式處理回聲定位和交流叫聲。雖然不常出現的回聲定位聲音確實引發了比較頻繁的強烈信號——也就是說，顯示出了「偏差檢測」——但在交流聲音的情況下，它們出現的概率並沒有影響反應的強度。
「蝙蝠在回聲定位時可能需要比交流時更快地做出反應，」科斯爾猜測。「腦幹是大腦接收聲學信號的第一站，這就是為什麼首先在那裡計算回聲定位叫聲的概率可能是必要的，特別是牠們的回聲，這樣動物就可以及時避開障礙物。」對不常見叫聲的更強反應可能是由於更好的神經同步。
這項研究還表明，腦幹除了音高差異外，還可以利用蝙蝠叫聲的其他特徵進行偏差檢測，例如頻率或音量的快速變化。「這很驚人，因為腦幹是大腦中相對原始的部分，科學家之前並不認為它能在信號處理中有任何重大參與，」韋特卡姆說。「他們認為其角色更多是接收來自聽神經的信號，並將它們傳遞給大腦的高級區域。」
這些發現對於人類的醫學應用也可能很重要。例如，在研究如注意力缺陷多動障礙或精神分裂症等與外部刺激處理受損相關的疾病時，應該包括大腦的低級區域。蝙蝠腦幹對不同的複雜聲學信號進行不同處理的事實，也可以幫助科學家理解大腦是如何解密和處理複雜的人類語言的。
這些發現發表在《神經科學》上。
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首圖來源：Julio Hechavarría cc By4.0
圖片來源：Julio Hechavarría cc By4.0
參考論文：
1.Deviance detection to natural stimuli in population responses of the brainstem of batsThe Journal of Neuroscience
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