《Journal of Comparative Physiology A》：Reflections on the neural processing of echoes for distance information in echolocating bats
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这篇综述深入探讨了回声定位蝙蝠如何利用声音信号进行距离判定的神经机制。作者以新热带区的鼬脸蝠（Noctilio albiventris）和纯调频（FM）蝙蝠大棕蝠（Eptesicus fuscus）为例，重点阐述了频率调制（FM）扫描带宽、短时恒频（CF）成分的作用，以及神经“滤波器组”模型如何协同工作，以高精度测量脉冲-回声延迟，从而确定目标距离。文章总结了相关的行为实验和神经机制假说，揭示了不同回声定位策略背后的特殊神经适应。
*回声定位呼叫带宽的重要性
一个日益增长的文献体系表明，不同蝙蝠物种的发射脉冲结构与其栖息地和觅食行为相关。个体蝙蝠在搜索、追踪和捕捉猎物时，会根据环境条件、声学杂波和其他蝙蝠的存在明显调整其回声定位声音。最引人注目的是行为背景的重要性。在检测到障碍物或目标后，几乎所有物种都会缩短脉冲持续时间，增加或转向陡峭的FM成分，并提高重复率。共识认为，需要宽带宽信号来优化距离判定、定位和目标评估。例如，黑獒蝠在伯利兹捕食昆虫时，其发射的声音序列清楚地展示了从窄带宽搜索脉冲向更短、更宽带宽、更高重复率发射的转变。
蝙蝠的听觉系统被编程为选择性地利用向下扫描的FM声音。大棕蝠（Eptesicus fuscus）利用向下扫描的FM声音进行距离判定，但不能从覆盖相同频率的向上扫描声音中获得距离信息。宽带噪声脉冲对距离判定同样无效。距离辨别基于对发射声音和返回回声之间经过时间的测量。可以合理假设，随着脉冲带宽的增加，回声延迟可能测量的冗余度也会增加，从而提高测量精度。强有力的实验证据表明情况确实如此。降低回声带宽会降低目标检测的准确性，尤其是在去除回声中的低频成分时。同样，通过高通滤波器逐步移除第一谐波中的频率会导致对回声延迟感知的敏锐度逐步恶化，位于第一谐波扫描末端附近的低频似乎尤为关键。此外，在存在干扰噪声时，大棕蝠会增加其发射脉冲的带宽和幅度。
在五个不同物种的欧洲鼠耳蝠的比较实验中，目标可被捕获时，目标与产生响亮干扰回声的背景墙之间的最小距离与所使用的FM带宽呈线性关系。扫描范围越大，距离辨别的准确性就越高，克服回声“杂波”以识别和捕捉猎物的能力也越强。这些行为实验，加上目标检测后几乎普遍转向更宽带宽FM扫描，强有力地支持了更宽带宽扫描通过增加测量回声延迟的重叠带通滤波器数量来提高距离测量精度的观点。这些预期被纳入了一个距离判定的“滤波器组阵列”或声谱图模型。这些模型假设每个发射的脉冲为其自身的“自我识别”和提取目标信息（包括目标距离）建立模板。听觉神经水平以上的神经元对声音脉冲的反应主要是单一、时间精确的动作电位，取决于每个神经元可兴奋的窄带频率的时机和强度。回声定位蝙蝠进化出了在大声后异常快速的响应恢复能力，以及对假定回声的夸张反应。在下丘，发射的FM扫描触发了“延迟调谐”神经元的激活，这些神经元选择性地对回声中相同频率、在约2-30毫秒特定延迟内的声音做出反应。模型假设时间信息至少在基波中在大部分或所有频率上被整合。
*脉冲-回声延迟测量的门控与短CF的作用
虽然滤波器组阵列模型假设窄频率调谐神经元对发射脉冲及其回声中的相同频率做出反应，但测量可能以更复杂的方式进行，以减少发射脉冲对返回回声的前向干扰。在长CF-FM蝙蝠帕氏髭蝠（Pteronotus p. parnellii）中，有序排列的皮层神经元对微弱的发射基波与更响亮的第二、第三甚至第四FM谐波的回声的组合进行延迟调谐。
另一种有趣的组合依赖性反应出现在对鼬脸蝠的研究中。该物种发射成对的短CF-FM搜索脉冲，起始间隔约28毫秒。第一脉冲是持续约8毫秒的72-75 kHz准CF脉冲；第二脉冲由持续约6-8毫秒的72-75 kHz CF成分组成，并以2-4毫秒的下行FM扫描结束至约50 kHz。成对脉冲中的第二个脉冲的FM成分可能对目标距离判定至关重要。CF成分的功能是值得进一步考虑的问题。
在实验室距离辨别实验中，训练两只鼬脸蝠辨别距离35厘米和40厘米的两个目标中较近的一个。它们通常以每秒7-10次的速率发射成对的CF/CF-FM声音，并很快学会了以超过90%的成功率进行距离辨别。典型发射脉冲如图4所示。
研究发现，以10赫兹速率自由运行的、模拟蝙蝠自身声音的人造脉冲会阻断蝙蝠利用自身声音回声进行距离辨别的能力。这种干扰无法用掩蔽来解释，因为人造脉冲很少与自然的脉冲-回声对在时间上重叠；相同持续时间、强度和重复率的白噪声脉冲也不会干扰距离辨别。有趣的是，改变人造模拟蝙蝠叫声的重复率表明，至少需要两个连续的自然携带信息的CF-FM脉冲-回声对（没有干扰脉冲）才能进行距离辨别。向蝙蝠呈现不同持续时间的静默窗口也导致了类似的结论。模拟蝙蝠自身声音的CF-FM脉冲不会干扰目标检测或左右定位，这两者显然可以通过单次脉冲-回声对来实现。
重要的是，单独的自由运行的CF或FM成分均不会干扰距离辨别。要产生干扰，人造脉冲必须同时具有CF和FM成分，并且CF成分的持续时间必须在约2到27毫秒之间。然而，如果将CF成分缩短到仅1毫秒持续时间，但需要在FM扫描开始前8-25毫秒呈现，它仍然有效。与FM扫描连续的1毫秒CF成分则无效。当人造模拟回声的强度从91分贝降低到81分贝声压级时，短暂CF成分发生的最佳时间是在FM扫描开始前10到16毫秒之间。CF成分似乎触发了一个持续25-30毫秒的时间门，在此期间，FM扫描被解释为携带距离信息，从而干扰正常的回声定位。30毫秒对应约5米的目标距离，这可能是该物种及许多其他蝙蝠物种回声定位的有效工作距离。在此时间窗外到达的回声或其他声音将被视为杂波。
人造CF-FM回声的干扰效果对呈现给蝙蝠的绝对频率变化的耐受性出乎意料。如果人造回声FM扫描的带宽通过截断低频而减小，直到减小到约11 kHz（从75 kHz到64 kHz）之前，信号仍能继续干扰距离辨别。此外，即使从正常的75 kHz CF向下移动到低至55 kHz的CF，并以25 kHz扫描至30 kHz（大多低于正常发射频率），模拟的CF-FM回声同样有效地产生干扰。相比之下，将整个信号从75 kHz CF向上移动到76 kHz会导致效果立即急剧下降，如果CF高达80 kHz，即使随后的FM成分扫描了大部分正常的FM范围，干扰也会完全消失。为了有效引起干扰，FM扫描必须从与CF成分相同的频率开始。当FM扫描开始频率比正常75 kHz CF高1 kHz或低3 kHz时，干扰显著降低。发射的CF显然充当了开门信号，因为单独的人造FM扫描在自由运行时无效，但当它们与发射脉冲耦合并在发射脉冲CF打开的大约27毫秒窗口内发生时，则会干扰距离辨别。
这个时间窗对应于发射的FM扫描发生、返回的FM回声被听觉神经系统处理、以及延迟调谐神经元群被编程进行延迟测量的时间。据推测，当一个足够响亮、与蝙蝠自身发射无关的人造CF-FM“回声”到达时，它会激活蝙蝠大脑中的相同回路。一个包含初始FM扫描的时间窗被打开，频率和延迟调谐神经元的滤波器组以某种方式被编程或“敏化”，以精确测量扫描中每个频率的回声延迟，但没有有意义的回声跟随。没有前面CF触发或在CF成分建立的时间窗之外的FM扫描则不会激活进行这些时间测量的回路。当CF成分在FM扫描前长达25毫秒时，窗口已经开始关闭，干扰显著减少。
那么，这种对频率和延迟调谐滤波器组的编程或“敏化”的本质是什么？在髭蝠的下丘和丘脑中，延迟调谐神经元至少部分是由GABA能抑制引起的，这种抑制可以持续长达30毫秒，由对发射声音的反应触发。当回声中给定频率的短潜伏期反应与发射声音中相同频率触发的长潜伏期抑制恢复同时发生时，这些延迟调谐神经元的反应被强烈促进。大棕蝠下丘神经元在脉冲发射后25-30毫秒内的延迟调谐可能以同样的方式产生。大棕蝠下丘中很大一部分神经元的延迟调谐也发生在外部呈现的脉冲-回声对上，只要它们以准自然的回声定位序列或足够快的重复率发生，但不会对仅FM脉冲或回声的序列、单个脉冲-回声对，或间隔长达250毫秒的脉冲对序列产生反应。这表明延迟调谐依赖于某种中央门控，在这种FM蝙蝠中可能也来自听觉皮层的下行输入。与此类比，鼬脸蝠正常发射脉冲中的响亮CF成分似乎是触发回声延迟测量所必需的，可能至少部分是通过使外出的FM在每个带通调谐群体中启动可变持续时间的抑制（从2毫秒到25-30毫秒）。抑制恢复与回声FM扫描中相同频率的兴奋同时发生，从而在不同延迟处促进反应，这成为延迟调谐神经元的特征。干扰效果的时间进程显然反映了CF在使FM成分启动延迟测量过程中的有效时间进程。
*从FM扫描中提取距离信息的窄带宽“滤波器”的数量和属性
回到从FM扫描中提取距离信息的滤波器组模型，主要问题仍然存在。“冗余测量”意味着什么？有多少个带通“滤波器”，它们的属性是什么？基于大棕蝠的调谐曲线锐度和差异阈值，估计该物种中单个频率通道的带宽为中心频率的1-2%，即50-100个通道。整合来自宽带宽频率的时间信息的电路本质是什么？蝙蝠获取距离信息所需的最小频率带宽是多少？
对鼬脸蝠和大棕蝠进行的创新性实验为这些问题提供了相关见解。研究结果表明，虽然发射的FM扫描在带宽和持续时间上可能差异很大，但需要最少数量的离散频率滤波器或通道，这在很大程度上与绝对频率或频率调谐滤波器之间的频率间隔无关。这些实验还提供了关于频率和延迟调谐滤波器其他属性的有价值信息。
当栖息在某个地方时，鼬脸蝠会定期以约5-10赫兹的重复率发射一系列脉冲对。当有物体向它们移动时，它们通常会停止发射准CF脉冲，并将CF-FM脉冲的重复率增加到30赫兹或更高——这与它们在飞行中检测到目标时的行为相似。
实验表明，电子产生并经实验者操控的人造“回声”可以引发相同的行为。当以正常搜索速率发射几个脉冲后，蝙蝠的下一次发射脉冲会触发来自扬声器的、延迟30毫秒（对应5米目标距离）的电子产生的虚拟回声，随后蝙蝠的每次发射都会触发另一个延迟逐渐缩短的虚拟回声，模拟一个以5米/秒速度接近并在到达约0.3米距离后消失的目标。如果蝙蝠的发射遵循增加到约30赫兹发射率至少六个脉冲的正常接近行为，则该反应被判定为阳性。也就是说，蝙蝠将虚拟回声解释为来自接近目标的真实回声。当模拟鼬脸蝠自身CF-FM搜索脉冲的人造CF-FM“回声”以递减的间隔通过扬声器播放时，引发了大约70%的接近相反应。初始目标是确定需要多少FM扫描中的频率才能引发阳性反应。在新方法中，产生的人造回声由4毫秒75 kHz CF组成，但随后的“FM”成分不是正常的平滑2-4毫秒下行扫描至55 kHz，而是由一系列离散的纯音频率阶跃组成，在4毫秒内无缝地从阶跃切换到阶跃，下行至55 kHz。
当从75到55 kHz的连续4毫秒扫描被99个或更多纯音阶跃取代时，人造“回声”在引发接近相反应方面的效果与具有平滑FM扫描的CF-FM“回声”一样有效，而90个阶跃效果较差，80个或更少的阶跃几乎无效，与不向下步进的75 kHz CF成分的效果相似，仅引发约40%的接近相发射行为。这些结果表明，回声必须激活至少90-100个离散频率通道才能被解释为蝙蝠自身发射的回声并被跟踪以获取目标距离。然而，在本实验中，当阶跃数在4毫秒内从125步变化到20步时，阶跃持续时间从每步32微秒变化到200微秒，阶跃大小从每步160赫兹变化到1000赫兹。是阶跃数量，还是阶跃大小或持续时间以及它们对FM扫描带宽和速率的影响造成了差异？
为了测试FM扫描总频率范围的重要性，用由通常的4毫秒、75 kHz CF成分和4毫秒扫描组成的人造回声测试鼬脸蝠，扫描由99或80个纯音阶跃组成，分别模拟100、200和400赫兹阶跃大小，对应扫描范围为10、20和40千赫兹（99步）以及8、16和32千赫兹（80步）。99步扫描在所有阶跃大小下引发超过65%的接近相行为，与从75-55 kHz的平滑FM扫描对照一样有效。相比之下，所有三种大小的80步纯音扫描在引发阳性反应方面均无效。另一方面，由50赫兹阶跃组成的99步扫描（总共约5 kHz扫描）的效果比100赫兹阶跃差得多，仅引发49%的反应。显然，阶跃大小需要大于50赫兹才能作为90-100个阶跃之一被使用。然而，从75-70 kHz的5 kHz扫描（100个50赫兹阶跃）可能不足以模拟真正的20 kHz FM扫描。为了解决这个问题，进行了类似的实验，使用99个纯音阶跃，其中奇数编号阶跃为50、100、200、300或350赫兹，而偶数编号阶跃分别为350、300、200、100和50赫兹。在所有情况下，平均阶跃长度为200赫兹，总扫描长度从75到55 kHz。包含50赫兹阶跃的扫描引发的反应很少高于随机水平；而仅由100-300赫兹阶跃组成的扫描平均引发60-67%的反应，显然使蝙蝠做出反应，仿佛“回声”携带有效的距离信息。因此，在鼬脸蝠中，要被解释为真正的回声，FM扫描必须包含90个或更多纯音阶跃，单个阶跃必须大于50赫兹，并且单独的频率特定通道可以分布在最小10 kHz的带宽上，以被视为携带距离信息。
为了探索单个阶跃持续时间或总扫描持续时间的重要性，向五只鼬脸蝠呈现了从75-55 kHz扫描，包含99或80个纯音阶跃，单个阶跃持续时间为20、40和80微秒。99步扫描的总扫描持续时间为2、4和8毫秒，80步扫描为1.6、3.2和6.4毫秒。在所有阶跃持续时间下，99步扫描引发65-70%的阳性接近相反应，而当蝙蝠暴露于任何80步扫描时，阳性反应率约为40%。75 kHz的40微秒段对应三个周期。在65 kHz，该段为2.6个周期，在55 kHz为2.2个周期。55 kHz声音的20微秒段仅长1.1个周期。显然，1-2个周期足以让蝙蝠辨别出不同的频率。
另一方面，从75扫描到55 kHz的纯音阶跃的持续时间存在一个上限，超过这个上限将无法引发刻板的接近相反应。当98个纯音阶跃的大小为100、200或400赫兹，持续时间超过80微秒达到90和100微秒时，它们引发接近相反应的效果急剧下降。为了测试这究竟是每个阶跃的持续时间限制还是纯音扫描总持续时间（40微秒阶跃约4毫秒，80微秒阶跃约8毫秒，90微秒阶跃约9毫秒）的限制，进行了类似的实验，其中奇数编号阶跃持续时间始终为40微秒，而偶数编号阶跃持续时间变化。同样，与扫描的总持续时间无关，当偶数编号扫描持续时间长达80微秒时，蝙蝠的表现与40微秒阶跃或连续FM扫描没有显著差异。然而，当每隔一个阶跃为90或100微秒时，引发接近相反应的试验百分比严重降低。显然，单个频率阶跃的持续时间不能超过约80微秒，才能仍被识别为有助于回声延迟测量的至少95-100个单独频率通道之一。在给定的频率滤波器中，80微秒可能是登记回声延迟的积分时间限制。
*大棕蝠频率和延迟调谐滤波器的属性
用三只大棕蝠进行的类似实验显示出有趣的差异。这是一种纯“FM蝙蝠”物种。当在实验室环境中栖息时，这些蝙蝠间歇性地发射一串FM脉冲扫描环境，重复率约5赫兹，每个脉冲长约4毫秒。这些脉冲包含从约55扫描到25 kHz的第一谐波，以及包含从约85到55 kHz显著能量的第二谐波。当大棕蝠检测到接近的目标时，它会将脉冲发射率增加到约13赫兹。与鼬脸蝠一样，这种行为被用作判断蝙蝠是否将人造回声解释为反映存在接近目标的真实回声的标准。与鼬脸蝠一样，并非每次测试都能引发这种行为。即使返回的“回声”是模拟其自身叫声的、在4毫秒内从75平滑扫描到25 kHz的FM扫描，其发生率也约为60-65%。然而，以此作为对照值，可以测试由纯音阶跃组成的FM扫描的效果。
在这些实验中，与在鼬脸蝠中的实验一样，当栖息的大棕蝠以静息速率发射脉冲时，呈现与这些发射耦合的人造回声，延迟递减，以模拟首先出现在5米距离，然后以5米/秒速率接近蝙蝠的目标。每个人造回声要么是实际的4毫秒长、从75-25 kHz的连续FM扫描，要么是一系列纯音阶跃，每个阶跃在相位和幅度上无缝地与下一个合并，在下行扫描中从75扫描到25 kHz。扫描持续时间始终为4毫秒，但纯音阶跃的数量从约100步到50步不等。当频率阶跃数从85步减少到82步时，在引发接近相反应方面的效果急剧下降。
在本实验中，总“回声”持续时间保持在4毫秒，所有情况下扫描均从75扫描到25 kHz，因此随着纯音阶跃数量的变化，阶跃大小和持续时间从约505赫兹/阶跃、每阶跃约40微秒（99步）系统性地变化到1000赫兹/阶跃、每阶跃80微秒（50步）。为了确定效果随阶跃减少而下降是由于阶跃数量、大小还是持续时间的结果，进行了与在鼬脸蝠中实验相同类型的对照实验。结果显示，需要83个或更多纯音频率阶跃才能引发阳性接近相反应，并且阶跃大小必须为450赫兹或更大。持续时间为40或50微秒的阶跃在引发阳性反应方面是有效的，但60微秒或更长的阶跃则无效。这些值与从鼬脸蝠获得的值进行了比较。
*结论
新的行为实验揭示了使回声定位蝙蝠能够进行精确距离辨别和排除杂波的神经回路的有趣属性。在短CF-FM蝙蝠鼬脸蝠中，发射脉冲的CF成分开启了一个20-30毫秒的时期，在此期间，听觉神经系统在FM扫描的所有频率上测量脉冲-回声延迟。此时间窗外的回声或FM信号被视为不携带时间信息，但包含CF和FM成分的人造声音会激活相同的回路并干扰时间/距离测量。CF激活脉冲-回声延迟测量回路具有有趣的属性：CF的开始必须领先FM扫描2毫秒或更多，并且扫描必须从与CF相同的频率开始。这些是涉及神经机制的线索，需要进一步研究。CF在鼬脸蝠中的这种作用可能代表了在其他（或所有）短CF-FM蝙蝠以及可能的长CF蝙蝠的发射定向声音中CF成分的一个未被重视的功能，在这些蝙蝠中，多种其他功能已经明确。
用纯音阶跃序列取代平滑FM扫描的实验不仅可以量化滤波器组阵列中用于距离判定所需的调谐滤波器的最小数量，还阐明了个别带通调谐滤波器的一些属性，特别是滤波器之间频率调谐的最小分离（阶跃大小）以及单个频率滤波器带宽内FM扫描的最大持续时间，为扫描速率设定了一个下限。鼬脸蝠和大棕蝠在这些属性上的差异反映了回声定位适应性的不同，这些差异可能针对它们不同的回声定位策略进行了调整，并且是有趣的进一步研究线索。
