小小蜂鸟的非凡大脑

2017-1-6

翻译：Crazybirdy

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       长久以来，鸟类被认为是智商较低的一类动物，它们的脑袋小的似乎容不下任何思考，但最新的研究提醒我们事实并非如此，世界上有着最小大脑的鸟类——蜂鸟，却拥有非同寻常的大脑，来控制其悬停、向任何一个方向飞行和极速下降。

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 拍摄人: 威廉·奥弗曼（William Overman）

       蜂鸟在许多方面都是独一无二的。它们中的一些是这个世界上最小的鸟类之一，如果按其身体长度来计算，它们是世界上飞行速度最快的鸟类，并且它们还是鸟类中唯一真正掌握悬停的鸟类。为了获得这样特殊的飞行技能，蜂鸟演化出自身独特的适应性结构。

       它们有8对肋骨，比其他鸟类要多两对，这样蜂鸟才能更好地维持身体平衡。蜂鸟的肩胛骨更短更坚硬，它们承担着羽毛的重量。当蜂鸟悬停时，它们的翅膀并不是上下扇动，而是整个翅膀保持挺直，并呈“8”字形运动。这种可以灵活转动、完成各种动作的肩胛骨，在鸟类中是非常罕见的。

      胸肌是蜂鸟各种技巧动作的动力源，它们的胸肌重量就占了全身重量的30%（大多数鸟类胸肌重量占全身重量的15-18%），这个比例也超过了其他任何鸟类。蜂鸟的胸肌就像马达一样，产生的源源不断的力量让翅膀进行“高频振动”。

悬停吃花蜜的安氏蜂鸟（雌鸟）

       科学家们一直怀疑这种复杂的飞行方式需要一个更加复杂的大脑，但由于蜂鸟的大脑实在太小使得研究进展极为困难。因此，直到近期，加拿大的一个科学家小组才设法破解了蜂鸟的大脑是如何处理难度极高的悬停、倒退等飞行动作。他们的研究发表在2016年11月出版的当代生物学（ Current Biology）杂志中，研究表明蜂鸟的大脑不同于任何其他鸟类（或四足脊椎动物），这种特殊的大脑使得它们能够控制复杂的飞行。

物种科普

 

安氏蜂鸟

       安氏蜂鸟为雨燕目（Apodiformes）蜂鸟科（Trochilidae）科氏蜂鸟属(Calypte)的一种小型食蜜鸟类，学名为Calypte anna。其体长约10-11cm，雄性有较短且直的黑色鸟喙；上体为具有金属光泽的绿色；额头延伸至脸两侧及喉部有彩虹光泽的深玫瑰红色羽毛，下体为灰白色沾绿，尾下覆羽绿色，羽缘灰色；中央尾羽金属光泽绿色，外侧尾羽铜绿色。雌性与雄性相比，头部脸颊两侧具灰白色小斑点延伸至眼球后方，缺乏彩虹光泽的瑰红色额头及喉部。

       其主要分布于北美地区，包括美国、加拿大、格陵兰、百慕大群岛、圣皮埃尔和密克隆群岛及墨西哥境内北美与中美洲之间的过渡地带（如下图：深紫色为所有季节常见地区，浅紫色为所有季节不常见地区，深蓝色为冬季常见地区，浅蓝色为冬季不常见地区）。

       栖息于茂密的丛林，橡树林，峡谷底部与常绿阔叶林，河岸林地、稀树草原、沿海城市或郊区环境，通常在离地2-8米的高度觅食。喜食天然花蜜，常见于开花的灌木丛或树木。同时也捕食昆虫来满足自身所需的蛋白质和其他营养物。

       要理解这些差异，首先要考虑的是我们如何移动又是为什么要移动。地球上的每一种生物要么是捕食者、要么是被捕食对象，这取决于它们在食物链中的位置。因此对几乎所有的动物而言，这就意味着它们需要向前运动，要么朝着食物移动、要么躲开以避免成为食物。人类在脊椎动物中算是一个罕见的例外，因为我们有能力在多个方向上相对有效地移动。（你见过小狗试图向后小跑或倒退着从梯子上下来吗？）

        尽管存在这样的差异，当我们面对危险时的第一本能反应仍然是转身逃离威胁，而不是华尔兹舞步般向一侧移动。这种本能可以追溯到大脑感知运动的方式。在所有研究的四足脊椎动物中，大脑视觉中枢反应最强烈的运动是前后轴向上的移动（想象我们追逐某人或被某人追逐）。

倒退飞行中的蜂鸟

 拍摄人: 丽贝卡·霍尔摩斯（Rebecca Holmes）

      根据最新的研究显示，蜂鸟却是一个例外。它们花费大量的时间徘徊在花朵周围，这意味着它们不仅仅需要考虑如何在前后轴向上移动，还要考虑到其他方向的移动。当它们悬停时，一阵风可能从它们的侧面吹来，或着一个捕食者可能会从它们下方发动攻击。因此它们不能只是掌握前后轴向上的运动方式，还要在其他所有方向上移动自如。

       正因为如此，科学家们发现蜂鸟的大脑并不像其他动物一般将前后轴向上的运动作为大脑视觉中枢反应最强烈的刺激。已知动物视觉系统中的神经元，对全方位的视觉流（即光流 optic flow：指图像中模式运动的速度，光流信息的检测对于人或动物确定前进的方向、速度至关重要，已成为运动信息加工的一个研究热点）刺激表现出运动方向/或速度上的选择性。该研究小组采用细胞外记录方式，检测安氏蜂鸟和斑胸草雀（Taeniopygia guttata）大脑中被称为豆状核（ lentiformis mesencephali，简称LM），即哺乳动物的视束核（nucleus of the optic tract，简称NOT ）区域的光流，该区域能够对视觉刺激作出反应，在迄今为止的所有测试中，蜂鸟并没有向其他动物一样反应出前后轴向上的运动选择偏好。相反，它们似乎没有任何偏好，对每个方向的运动都有同样的反应。（如下图所示）

A图和C图分别为安氏蜂鸟和斑胸草雀针对视觉刺激所优选的移动方向分析

（尖头指示运动方向，虚线部分为暂停刺激）

B坐标图（F：向前运动；U：向上运动；B、向后运动；D、向下运动）中，粉色线圈显示每个方向（绿色圆点）的运动神经元响应视觉刺激的平均激发率，灰色线圈代表自发神经电活动（无视觉刺激）

       研究人员还发现，蜂鸟的大脑视觉系统中的神经元（LM：豆状核）对快速移动有更强的反应。这个结果出乎意料，因为科学家们预测，蜂鸟的大脑对低速悬停有适应性演化，因而大多数神经元会被调整到对缓慢的视觉运动有更强的反应。但如果你仔细思考，优化为高速适应也是言之有理的。

       安氏蜂鸟在求偶展示时为了使尾部羽毛震动而发出声响，它们每秒飞行距离能够达到其身长的385倍，这是极快的（相比之下，一个F15鹰战斗机的最高速度为2.5马赫，即约为每秒移动45个机体长度的距离）。在这样的俯冲速度下，蜂鸟将承受10个Gs（Gs为加速度的自身极限过载，战斗机飞行员，当他们承受超过7个Gs时就会出现晕厥现象），并且要在接近瞬时的情况下进行飞行方向的修正，它们在这项致命的高速俯冲表演中吸引雌性的注意力，并且证明自己的实力，如果无法承受这样足以使飞行员丧命的加速度，便无法获得交配的机会。

 拍摄人: 里克 & 诺拉·鲍尔斯（Rick & Nora Bowers）

       蜂鸟的大脑感知世界的方式不同于其他脊椎动物，这是一个引人注目的鸟类学发现，但研究人员对他们的新发现还有其他的应用动机——了解自然界中的飞行方式以设计出更好的机器人。例如，动物的大脑能够控制在三维空间内有效地移动这一新的发现，对于人工智能无人机的设计，或直升机的自动驾驶计算系统来说是非常有价值的。但除了这些潜在的商业化用途，认识到最小的鸟类大脑也有可能是最复杂的大脑，这难道不是有趣的吗？

 

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