神经生物学研究蝙蝠如何区分不同的声音

塞巴短尾蝙蝠(Carollia perspicillata)生活在中美洲和南美洲的亚热带和热带森林中，主要以胡椒果为食。这些动物白天以 10 至 100 只为一组，在中空的树干和岩石洞穴中度过，晚上则一起外出觅食。它们使用声音进行交流，这些声音会在群体中产生明显的环境噪音，就像热闹的聚会上的喋喋不休的声音一样。

与此同时，蝙蝠还利用发声来导航周围环境，这种现象称为回声定位，它们发出从固体表面反射的超声波。然后动物将这些回声组合成周围环境的“图像”。

但是塞巴的短尾蝙蝠是如何从持续的环境噪音中过滤掉重要的声音的呢?一种常见的解释是，大脑不断预测下一个信号，并对意外信号做出比预期信号更强烈的反应。

这被称为偏差检测，法兰克福歌德大学细胞生物学和神经科学研究所神经生物学和生物传感器工作组的 Johannes Wetekam 和 Manfred Kössl 教授领导的神经科学家正在探索其机制。

他们与同事一起在 2021 年就已经证明，信号处理并不是从大脑的高级区域开始，而是已经在脑干中开始，脑干负责控制呼吸和心率等重要功能。然而，这些研究仅使用对动物没有意义的人工刺激。

在最近发表的一项研究中，Wetekam 和 Kössl 领导的团队重复了自然交流和回声定位呼叫的实验。“通过我们的研究，我们希望了解当向塞巴短尾蝙蝠提供实际发生在其听觉世界中的刺激而不是无意义的刺激时，偏差检测会发生什么，”韦特卡姆说。

为此，将两个人类头发粗细的电极插入蝙蝠的头皮下方以记录它们的脑电波。虽然这对动物来说是无痛的，但测量是在全身麻醉下进行的，因为任何运动都可能扭曲结果。

即使蝙蝠处于麻醉状态并熟睡时，其大脑也会对声音做出反应。然后向动物播放回声定位或通讯呼叫，每种声音都穿插着另一种声音，发生的概率为 10%。

然后可以从测量的脑电波中读取到脑干以不同的方式处理回声定位和通信呼叫。虽然不频繁的回声定位声音确实比频繁的回声定位声音产生更强的信号(即显示出偏差检测)，但在通信声音的情况下，它们发生的概率不会影响响应的强度。

曼弗雷德·科斯尔推测：“蝙蝠在回声定位过程中可能需要比与同种动物交流时更快的反应。” “脑干是大脑中接收声音信号的第一个站，这就是为什么首先需要计算回声定位呼叫的概率，尤其是它们的回声，以便动物能够及时躲避障碍物。” 对不太频繁的呼叫的更强反应可能是由于更好的神经同步。

研究还表明，脑干可以利用蝙蝠叫声的其他特征来进行异常检测，例如除了音调差异之外，频率或音量的快速变化。韦特卡姆说：“这令人惊讶，因为脑干是大脑中相当原始的部分，科学家之前认为它无法实质性参与信号处理。” “他们更多地看到了它在接收来自听觉神经的信号并将其传输到大脑高级区域方面的作用。”

这些发现对于人类的医学应用也可能很重要。例如，在研究注意力缺陷多动症或精神分裂症等疾病时，应该包括大脑的低级区域，这些疾病与外部刺激的处理受损有关。蝙蝠脑干以不同方式处理各种复杂的声音信号这一事实也可以帮助科学家了解大脑如何破译和处理复杂的人类语音。