研究表明敏銳的觸覺可以幫助蜂鳥在花朵附近盤旋而不撞到花朵

蜂鳥似乎是大自然和工程學(xué)的奇跡：這種生物能夠以外科手術(shù)般的精準(zhǔn)度在花朵附近盤旋。它們是怎么做到的呢?

盡管蜂鳥的飛行機(jī)制已被深入研究，但人們對(duì)它們的觸覺如何幫助這些精力充沛的小鳥從花中吸食花蜜而不撞到花蜜的了解卻少之又少。科學(xué)家對(duì)大腦如何處理觸覺的了解大多來(lái)自對(duì)哺乳動(dòng)物的研究，但鳥類的大腦與哺乳動(dòng)物的大腦截然不同。

加州大學(xué)洛杉磯分校牽頭的一項(xiàng)研究發(fā)表在《當(dāng)代生物學(xué)》雜志上，研究表明，當(dāng)風(fēng)吹到蜂鳥翅膀前緣的羽毛和腿部的皮膚時(shí)，蜂鳥前腦兩個(gè)特定位置的神經(jīng)元就會(huì)激發(fā)，從而創(chuàng)建出自己身體的 3D 地圖。

喙、臉和頭上的受體也發(fā)揮著這一作用。氣壓的強(qiáng)度受物體距離等因素的影響，被羽毛底部和腿部皮膚中的神經(jīng)細(xì)胞接收并傳輸?shù)酱竽X，大腦據(jù)此判斷身體相對(duì)于物體的方向。

動(dòng)畫展示了蜂鳥前腦處理觸覺的兩個(gè)區(qū)域。一個(gè)區(qū)域處理頭部和面部的觸覺，另一個(gè)區(qū)域處理身體其他部位的觸覺。這使得蜂鳥能夠創(chuàng)建其身體的 3D 地圖，幫助它在飛行過(guò)程中在空間中定位自己。圖片來(lái)源：Gaede 等人，2024 年

研究人員還研究了斑胸草雀，它們的身體結(jié)構(gòu)與蜂鳥相同，但某些部位的敏感度略低，這表明這些部位有助于蜂鳥高度專業(yè)的飛行動(dòng)力學(xué)。這項(xiàng)研究增加了對(duì)動(dòng)物如何在其世界中感知和導(dǎo)航的了解，并有助于找到更人道地對(duì)待它們的方法。

人類會(huì)形成身體的觸覺地圖，從大腦中心的腳趾開始，一直延伸到腿部、背部，以及代表面部和手部觸覺的更大區(qū)域。這些用于觸摸和觸摸任務(wù)的區(qū)域在人類大腦中被放大。

“我們知道，對(duì)于哺乳動(dòng)物來(lái)說(shuō)，觸覺是通過(guò)大腦皮層前腦外層進(jìn)行處理的，”通訊作者、加州大學(xué)洛杉磯分校綜合生物學(xué)教授鄧肯·萊奇 (Duncan Leitch) 說(shuō)道。

“但是鳥類的大腦沒有分層的皮層結(jié)構(gòu)，因此觸覺在它們大腦中是如何表現(xiàn)的是一個(gè)懸而未決的問(wèn)題。我們準(zhǔn)確地展示了不同類型的觸覺在這些區(qū)域激活特定神經(jīng)元的位置，以及觸覺在它們的前腦中是如何組織的。”

之前對(duì)鳥類注射染料的研究表明，鳥類前腦中有一個(gè)區(qū)域負(fù)責(zé)處理臉部和頭部的觸覺，另一個(gè)區(qū)域負(fù)責(zé)處理身體其他部位的觸覺。例如，貓頭鷹的觸覺中樞通常與臉部觸覺相對(duì)應(yīng)，但只負(fù)責(zé)處理爪子。但由于蜂鳥的生活與貓頭鷹截然不同，因此這一情況似乎不太可能適用于它們。

萊奇和皇家獸醫(yī)學(xué)院及不列顛哥倫比亞大學(xué)的合著者通過(guò)將電極放在蜂鳥和雀科動(dòng)物身上，并用棉簽或氣流輕輕觸碰它們，能夠?qū)崟r(shí)觀察神經(jīng)元的放電情況。計(jì)算機(jī)放大了電極發(fā)出的信號(hào)，并將其轉(zhuǎn)換為聲音，以便于分析。

實(shí)驗(yàn)證實(shí)，頭部和身體的觸覺被映射到前腦的不同區(qū)域，并首次表明氣壓會(huì)激活這些區(qū)域的特定神經(jīng)元簇。對(duì)翅膀的檢查顯示，神經(jīng)細(xì)胞網(wǎng)絡(luò)很可能在被羽毛上的氣流激活時(shí)向大腦發(fā)送信號(hào)。

研究人員發(fā)現(xiàn)，大量的腦細(xì)胞對(duì)翅膀邊緣的刺激有反應(yīng)，他們認(rèn)為這有助于鳥類以微妙的方式調(diào)整飛行。他們還發(fā)現(xiàn)，腳對(duì)觸覺非常敏感，這種觸覺在大腦中占有很大的比重，這可能是為了幫助它們棲息。

研究人員推測(cè)，鸚鵡和其他用腳抓握和移動(dòng)物體的鳥類的這些區(qū)域可能更大。

在他們的研究中，研究人員確定了鳥類的受體場(chǎng)，觸摸會(huì)觸發(fā)神經(jīng)元的放電。在蜂鳥中，其中一些受體場(chǎng)(尤其是喙、臉和頭上的受體場(chǎng))非常小，這意味著它們可以感覺到最輕微的觸摸。斑胸草雀的受體場(chǎng)相同，但更大，這表明斑胸草雀的這些區(qū)域不那么敏感，可能與依賴持續(xù)、穩(wěn)定精確飛行的蜂鳥更相關(guān)。

“蜂鳥常常對(duì)我們給出的最小閾值做出反應(yīng)，”利奇說(shuō)。

進(jìn)一步了解各種動(dòng)物如何映射身體上的觸覺，可能會(huì)推動(dòng)使用傳感器移動(dòng)或執(zhí)行任務(wù)的技術(shù)進(jìn)步，例如假肢或自主設(shè)備。但動(dòng)物福利的改善可能是這項(xiàng)研究更直接的結(jié)果。

利奇說(shuō)： “如果我們能夠理解動(dòng)物如何感知觸覺，我們就可以開發(fā)出對(duì)它們干擾較小的做法。”

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