神经生物学：研究蝙蝠如何区分不同的声音

Seba短尾蝙蝠生活在中美洲和南美洲的亚热带和热带森林中，主要以辣椒为食。这些动物每天以10到100只为一组，在中空的树干和岩石洞穴中度过，晚上它们一起觅食。它们使用在殖民地产生独特环境噪音的声音进行交流，就像在热闹的派对上发出的潺潺声

与此同时，蝙蝠还利用发声来导航周围环境，这一现象被称为回声定位，蝙蝠会发出从固体表面反射的超声波。然后，这些动物将这些回声组合成它们周围环境的“图像”

但是Seba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？一种常见的解释是，大脑不断预测下一个信号，对意外信号的反应比对预期信号的反应更强烈

这被称为异常检测，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

与同事们一起，他们已经能够在2021年证明，信号处理不是在大脑的高级区域开始的，而是已经在脑干中开始的，脑干负责控制呼吸和心率等重要功能。然而，这些研究只使用了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通信和回声定位呼叫的实验。Wetekam说：“通过我们的研究，我们想知道当Seba的短尾蝙蝠收到的不是无意义的刺激，而是实际发生在其听觉世界中的刺激时，偏差检测会发生什么。”

为了做到这一点，在蝙蝠的头皮下插入了两个人类毛发厚度的电极，以记录它们的脑电波。尽管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

即使蝙蝠被麻醉并快速入睡，蝙蝠的大脑也会对声音做出反应。然后向动物播放回声定位或通信呼叫，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脑干对回声定位和通信呼叫的处理方式不同。虽然在通信声音的情况下，不频繁的回声定位声音确实比频繁的回声产生了更强的信号，即显示出偏差检测，但它们发生的概率并不影响反应的强度

Manfred Kössl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。”。“脑干是大脑中第一个接收声学信号的站，这就是为什么首先计算回声定位呼叫的概率可能是必要的，尤其是它们的回声，这样动物就可以及时躲避障碍物。”对频率较低的呼叫的更强反应可能是由于更好的神经同步

该研究还表明，脑干可以利用蝙蝠叫声的其他特征进行异常检测，如频率或音量的快速变化以及音高的差异。Wetekam说：“这令人惊讶，因为脑干是大脑中一个相当原始的部分，科学家以前认为它不能实质性地参与信号处理。”。“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。”

这些发现可能对人类的医学应用也很重要。例如，在研究多动症或精神分裂症等疾病时，应该包括大脑的低水平区域，这些疾病与外部刺激的处理受损有关。蝙蝠脑干以不同的方式处理各种复杂的声学信号，这一事实也有助于科学家了解大脑是如何破译和处理复杂的人类语音的

研究结果发表在《神经科学杂志》上