Science：鴿子如何感知磁場——基于內耳的電磁感應機制

地磁場無處不在，為許多動物提供了導航的“指南針”。過去五十多年的行為學研究已揭示：從遷徙的候鳥到歸家的信鴿，許多動物都能感知并利用地磁場進行定向和導航。然而，動物磁感知的神經機制仍是未解之謎。目前有三種主流的磁感知機制假說：磁鐵礦介導的磁感知假說（Winklhofer et al., 2010）、光依賴性自由基對磁感知假說（Mouritsen et al., 2012）、電壓門控通道介導的電磁感應假說（Nimpf et al., 2019），這些假說分別與三叉神經、視網膜、內耳等解剖結構相關。然而，以往的研究大多局限于對特定腦區的檢驗，可能帶有先入為主的偏見。要真正理解磁感知機制，需要一種不受既有理論束縛的全局性視角。

為了打破這一局限，德國慕尼黑大學的David Keays教授領導的研究團隊采用組織透明化技術，結合繪制全腦神經元活動圖譜的全新策略，嘗試回答一個核心問題：在完整的鴿子大腦中，究竟哪些神經元群體（腦區）會對磁場刺激產生響應？通過精準定位這些被激活的“核心腦區”，他們逐步構建出感磁神經回路，再逆向追蹤至外周，最終鎖定了初始的磁感知受體（Nordmann et al., 2026）。這一系統性的研究路徑，首次在鴿子大腦中明確了與磁感知相關的腦區和神經回路，為理解鳥類為何具備非凡的導航能力，提供了關鍵證據。

建立全腦活動圖譜，篩選核心磁激活腦區

為了建立全腦活動圖譜并篩選出核心的磁激活腦區，研究人員首先對鴿子大腦的組織透明化技術進行了優化。經過處理后，整個鴿子的大腦變得透明，可以在光片顯微鏡下實現全腦三維成像，結合C-FOS標記就可精準定位被激活神經元的具體位置和數量。在此基礎上，團隊設計了多組對照實驗。他們在有光和無光條件下，分別讓鴿子暴露于旋轉磁場或對照零磁場環境中，然后將受磁場刺激組的大腦活動圖譜與對照組進行比對。結果發現兩個核心激活區域：一個是尾側內側前庭核（VeM），該區域呈雙側對稱激活，主要負責接收前庭系統的傳入信號，提示前庭系統可能參與了磁感知信息的處理，也暗示著磁信號的初級感受器可能位于前庭上皮。另一個是尾側中腦皮層（MC），這是一個與多感官整合相關的腦區，其激活區域沿海馬腦室分布，位于聽覺區L2的內側。即使在無光黑暗的條件下，磁刺激依然能持續激活前庭核；而視覺相關腦區（如背外側膝狀體復合體、視頂蓋、視覺 Wulst）則未見顯著激活，這表明其潛在機制并不依賴光誘導自由基對的形成。

研究團隊同時還設計了靜磁場對照實驗。結果顯示：暴露于靜磁場的鴿子，其內側前庭核、中腦皮層、背內側丘腦、海馬均未被顯著激活。這一結果證實，變化的磁場才是激活這些腦區的必要條件，這與依賴于電磁感應的生物物理機制相一致。

向內耳深入：尋找感受磁場的細胞

全腦篩選結果將研究焦點指向了前庭系統。順著這條線索，研究人員進一步深入探索前庭信號的發源地——內耳的壺腹嵴。壺腹嵴位于各半規管的基底，是感受頭部旋轉的關鍵結構，其中分布著感覺毛細胞。電磁感應假說能否成立，有一個核心前提：感受細胞中必須存在能夠感知電信號的分子裝置。那么，鴿子的壺腹嵴是否具備這樣的分子基礎？為了回答這個問題，研究者對壺腹嵴細胞進行了單細胞RNA測序。分析結果顯示，一類II型毛細胞中高表達兩種關鍵的離子通道——BK鉀通道和鈣通道CaV1.3異構體。此前已有研究表明，CaV1.3異構體是電感知的關鍵分子（Bellono et al., 2018）。這一發現為電磁感應機制提供了重要的分子證據。綜合這些結果，II型毛細胞很可能是鴿子感知磁場的初級感受細胞。通過CaV1.3與BK通道的協同作用，這些細胞具備了將磁場誘導的微弱電壓變化轉換為細胞電信號的分子能力。

構建基于內耳電磁感應的磁感知回路模型

綜合全腦活動圖譜與單細胞分子圖譜，研究團隊提出了一套完整的磁感知模型（圖1）。該模型的起點是物理信號的出現：當鴿子頭部運動方向與地磁場方向垂直時，根據電磁感應原理，半規管內的內淋巴液中會誘導出微弱的電場。這一物理信號隨即被細胞層面的分子裝置捕獲——II型毛細胞通過其表面的CaV1.3鈣通道和BK鉀通道感知電壓變化，將物理磁場信號轉換為細胞可讀的生物電信號。整個過程不依賴光的參與，與光誘導自由基對機制形成鮮明對比。電信號隨后沿著神經通路傳遞：從前庭系統的壺腹嵴出發，經由前庭耳蝸神經進入腦干，首先抵達內側前庭核進行初步處理；繼而通過背內側丘腦的中繼，最終上傳至兩個高級腦區——尾側中腦皮層和海馬體。這兩個區域分別負責多感官整合與空間導航記憶，共同構成了鴿子感知地磁場并實現精準定位導航的神經基礎。

圖1 電磁感應驅動的磁感知回路模型。 (A至C) 頭部運動產生的變化磁場在半規管中誘導出電場(E)，導致內淋巴液內形成電壓梯度(B)。被凝膠狀的壺腹帽分隔開的這種電荷差異，由表達電壓敏感性鈣通道CaV1.3和大電導鈣激活鉀通道BK的II型毛細胞檢測（C）。這一電磁信息從壺腹嵴（ca）經由前庭耳蝸神經（nVIII）傳至內側前庭核（VeM）進行初步處理，隨后通過丘腦中繼（DTh），與中腦皮層（MC）和海馬體（Hp）內的其他感覺信息整合。(D) 頭部在半規管平面內的旋轉通過壺腹帽(Cp)的位移導致毛細胞靜纖毛的機械性刺激，不產生電磁感應。(E) 相反，在存在磁場向量(B)的情況下，頭部垂直于半規管平面的旋轉會導致電荷在壺腹帽兩側重新分布，而毛細胞不發生機械位移。因此，鳥類能夠區分機械性輸入和電磁性輸入

意義與展望

這項研究的意義在于：它首次以全局、無偏見的視角，系統地描繪了鴿子大腦對磁場刺激的響應圖譜，為“電磁感應假說”提供了迄今為止最有力的神經解剖學和分子生物學證據。它成功地將磁場感知的起點指向了內耳前庭系統，并鑒定出了潛在的“感應分子”——CaV1.3和BK通道。研究還排除了其它兩類磁感知機制的可能性。

然而，這項突破也開啟了更多待解之謎。正如作者所言，一個持續的挑戰是證明這些特定分子和細胞類型對于磁感知的“必要性和充分性”。未來的研究需要借助基因編輯、病毒示蹤和電生理記錄等更精密的技術進行驗證，例如特異性敲除II型毛細胞中的CaV1.3通道，觀察鴿子是否因此失去磁感應能力。此外，中腦皮層和海馬體中的神經元如何編碼磁傾角、極性和強度等具體磁參數，以及這一系統如何與其他感官信息整合形成完整的導航能力，這些都是未來研究需要回答的重要問題。盡管挑戰猶存，這項研究無疑為我們最終揭開動物“第六感”的神秘面紗邁出了關鍵一步。

主要參考文獻

Bellono N W, Leitch D B, Julius D. Molecular tuning of electroreception in sharks and skates[J]. Nature, 2018, 558(7708): 122-126.

Mouritsen H, Hore P J. The magnetic retina: light-dependent and trigeminal magnetoreception in migratory birds[J]. Current opinion in neurobiology, 2012, 22(2): 343-352.

Nimpf S, Nordmann G C, Kagerbauer D, et al. A putative mechanism for magnetoreception by electromagnetic induction in the pigeon inner ear[J]. Current Biology, 2019, 29(23): 4052-4059. e4.

Nordmann G C, Balay S D, Kapuruge T N, et al. A global screen for magnetically induced neuronal activity in the pigeon brain[J]. Science, 2025: eaea6425.（DOI: 10.1126/science.aea6425）

Winklhofer M, Kirschvink J L. A quantitative assessment of torque-transducer models for magnetoreception[J]. Journal of the Royal Society, Interface, 2010, 7 Suppl 2(Suppl 2): S273-S289.

(撰稿：田蘭香，趙晨晨/地球與行星物理學科中心）