新研究鎖定鴿子腦內“羅盤”
鴿子是自帶“導航”的長途飛行高手。在一項近日發(fā)表于《科學》的研究中，德國慕尼黑大學的研究團隊通過繪制鴿子大腦圖譜，并對鴿子內耳細胞進行單細胞轉錄組測序，證明了內耳是鳥類的磁感受作用器官。
研究人員表示，鴿子能通過內耳中的微小電流來感知地球磁場。這種內置“羅盤”或許有助于解釋一些動物是如何做到長途導航的。
研究表明，包括海龜、鱒魚、旅鶇在內的許多動物都能感知磁場的方向和強度，盡管相關機制和證據存在爭議。
關于鳥類如何感知磁場，目前有兩種主流假說。一種假說認為，鳥類視網膜細胞中存在量子物理效應，使它們能夠“看到”磁場。而另一種假說則認為，鳥喙中的微小氧化鐵顆粒可能像微型指南針一樣發(fā)揮作用。
然而，研究人員對于動物感知磁信息的具體大腦區(qū)域、感覺神經元電磁變化敏感性的產生仍然知之甚少。2011年，有研究線索表明，磁場會觸發(fā)鴿子的前庭系統。該系統使脊椎動物能夠感知加速度（包括重力），有助保持平衡。該系統由3個相互垂直的充滿液體的環(huán)組成，能夠將加速度分解為x、y、z向量，從而告訴大腦加速度的方向。
慕尼黑大學的神經科學家David Keays設計了一個實驗，以揭示鴿子大腦如何對磁場作出反應。
Keays團隊讓鴿子暴露在比地球磁場稍強的磁場中一個多小時。鴿子的頭部被固定住，磁場持續(xù)旋轉，以模擬鴿子頭部相對于地球磁場的運動。
接下來，研究團隊通過一種細胞活動的基因標記測量方法，分析了鴿子大腦中神經元的激活模式。通過將暴露于磁場的鴿子大腦活動圖譜與未暴露于磁場中的對照組進行比較，研究人員發(fā)現，在接收前庭系統輸入的大腦區(qū)域和有助于整合各種感覺刺激的大腦區(qū)域，存在與磁場相關的神經元活動。這一結果將鴿子內置“羅盤”范圍縮小到了前庭系統。
那么，鴿子大腦神經元究竟是如何感知磁場的？
早在1882 年，法國動物學家Camille Viguier就提出，生物體內的導電物質會對磁場做出反應，從而產生電流，這賦予了動物磁感受能力。而在此前的研究中，Keays從鯊魚和鰩的生物物理學原理獲得啟發(fā)，探尋了磁感受分子機制。
鯊魚和鰩擁有感知微弱電場的器官，這有助于它們捕食。Keays等人發(fā)現，這些動物表達一種對神經元電活動變化敏感的蛋白質。該蛋白質經過了10個氨基酸長度的插入修飾，使其能夠感知由磁場產生的電流。
“那么鴿子身上是否存在這種能力？答案是肯定的。”Keays說，2019年，他和合作者發(fā)現，鴿子的基因組中也存在類似的變異。
在新研究中，Keays團隊對鴿子前庭系統細胞進行了單細胞轉錄組測序，以尋找參與探測電流的分子，結果發(fā)現，對電磁變化敏感的蛋白質普遍存在。因此，當鴿子點頭時，其內耳中的環(huán)狀結構能夠為大腦提供磁場x、y、z向量的信息。
Keays團隊讓鴿子在黑暗中暴露于磁場，重復了上述實驗。實驗結果表明，鴿子大腦接收磁場刺激并不需要光線。Keays說，這似乎與基于視網膜的磁感受模型相矛盾。不過他補充道，有些動物可能有不止一種磁感受器官。
相關論文信息：https://doi.org/10.1126/science.aea6425
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