百年科學猜想：鴿子感覺磁場的“指南針”，是否藏在耳朵里？

圖源：Pixabay

撰文 |閆致強 王瑞

01 序章——聽覺和內耳

1824年，德國解剖學家Huschke在顯微鏡下找到了內耳中的“聽乳頭”（papillaspiralis acoustica），這是人類首次窺見聽覺感受器的雛形。1851年，年僅29歲的意大利解剖學家阿方索·柯蒂（Alfonso Corti）在維爾茨堡大學的實驗室里，借助剛剛成熟的組織固定與染色技術，首次完整描繪了內耳感覺上皮的結構，并觀察到了其中一層排列整齊的外毛細胞。稍后，德國解剖學家Deiters發現了內毛細胞，Leydig則辨認出毛細胞頂端那簇纖細的“靜纖毛”，也就是我們今天所說的感覺纖毛束。1863年，Hensen證明毛細胞上附著有神經末梢；隨后，瑞典解剖學家Retzius用更精細的染色方法確認，神經纖維就終止在毛細胞基底端，并據此大膽推斷：毛細胞，就是聽覺的真正感受器[1]。

（圖片來自閆致強實驗室何增輝）

Figure 1 熒光標記的小鼠聽覺毛細胞 上面三排為外毛細胞，下面一排為內毛細胞

現在我們認為，內耳中這些“毛細胞”是我們聽到聲音的核心。外耳廓收集聲波并將其聚焦于耳道末端的鼓膜，鼓膜聯動聽小骨將聲波轉化為機械力推動耳蝸內的淋巴液，淋巴液波動擾動基底膜上的毛細胞，導致毛細胞上的力敏感的離子通道打開，激活毛細胞產生電信號并沿聽神經傳入大腦。所以聽覺信號的產生不是在我們熟悉的外耳，而是在顱骨下的內耳中的小小的毛細胞里[2, 3]。

進一步的生物物理學研究發現，毛細胞的敏感程度近乎逼近到物理學的極限。人類聽覺閾值的聲音，引發毛細胞的移動的甚至不到一個納米，幾個氫原子并排的距離。即使把一個20微米毛細胞放大到一個一米八的人，這個偏轉也相當于人的腦袋歪了大概0.1個毫米。更加神奇的是，這一尺度已到熱力學的范圍，毛細胞所在內環境的水分子對于毛細胞的布朗運動的撞擊產生的偏移都達幾納米至幾十納米。在此背景下，毛細胞從其本身的熱力學背景噪聲中聽到真正的聲音信號就像是在一場熱鬧的聚會中聽到一根針掉到地上一樣[4]。

02 魚：我有一條祖傳的毛細胞想送給你，來不來電

這一精妙的器官設計，卻并非人類原創。脊椎動物的老祖宗魚類，早已幫我們在水下打磨極致。四億多年前的魚類化石中就發現了一對縱貫其身體的側線，側線里面坐著的，正是毛細胞，魚類用其來感知水流[5]。進化這個最嚴格的評委在毛細胞這個設計上打了極高的分，隨后的兩爬動物、鳥類和哺乳動物也發現這個毛細胞好用到根本停不下來，并且利用毛細胞魔改出多個版本的神奇感覺。

1678年，意大利解剖學家斯馬爾皮吉（Marcello Malpighi）首次發現了鯊魚和鰩吻部皮膚上那些密密麻麻的微型孔洞，隨后他學生勞倫齊尼（Stefano Lorenzini）繼續衣缽，對這一結構進行了精確、完整的解剖學描述。后人為了紀念這一關鍵貢獻，將其命名為“勞倫氏壺腹”（ampullae of Lorenzini）。每個孔洞下面都連著一根細長的透明導管，里面充滿膠狀物質，底部膨大成一個囊腔，最終都匯入頭部深處的幾大塊透明膠狀體中。但在顯微鏡分辨率尚不發達的年代，沒人能看清囊腔里面到底是什么。等到組織學技術終于成熟，發現壺腹底部坐落的，正是一簇形態標準的毛細胞，包含靜纖毛、動纖毛和基底部的突觸小體。

圖片來源于互聯網

Figure 2 A.鯊魚的勞倫氏壺腹，紅圈圈出來的地方B.壺腹的解刨示意圖，底部為毛細胞。

但問題在于：壺腹管道里填充的是一種高電阻的膠狀物，海水中的物理振動根本傳不進來，那這些毛細胞和勞倫氏壺腹是為了感覺什么存在的呢？當時的學者根據其管狀的特征指向了彼時生理學的共識：腺體，推測其作用為分泌黏液。這一假說持續了近三百年，后續也有學者發現其能感知溫度和機械刺激，但這些功能很難和壺腹這種高度特化的結構相匹配。直到1960年，英國伯明翰大學的R·W·默里（R. W. Murray）通過電生理實驗發現壺腹對電場具有超乎想象的敏感性：可以對每厘米電勢差低至1微伏的弱電場作出反應，這相當于將一節1.5伏的電池的正負極，接到距離15公里的地方[6]。即便是運用現代儀器，科學家都很難在海水中檢測到如此微弱的電場，但在兩極之間游動的鯊魚可以輕而易舉地察覺該電池電路的開閉。壺腹的長管和其內的高電阻膠凍，就像一根生物電纜，將周圍的電信號低損耗的傳導至底層的毛細胞。

隨后Dijkgraaf與Kalmijn的行為學實驗為壺腹的功能提供了關鍵的證據，即使失去了獵物的視覺、嗅覺和機械線索，鯊和鰩仍能準確定位埋藏于沙中的獵物。將一對電極埋入沙中模擬獵物活動發出的電信號，鯊和鰩也會對電極表現出捕食攻擊行為。而一旦破壞或屏蔽壺腹，這種能力便徹底消失。這些實驗明確了鯊和鰩具備電感覺，且壺腹是電感受器[7]。

默里的發現確立了壺腹作為電感受器的功能。但一個更深層的問題隨之而來：它是怎么做到的？普通細胞的電感受器蛋白，激活閾值通常在數十毫伏左右。而鯊魚壺腹感受到的電場，在細胞膜上只能產生微伏級的電壓變化，差了三到四個數量級。這意味著，壺腹毛細胞上必然存在某種被深度改造過的蛋白質，能把信號從噪聲中打撈上來。這個問題懸置了半個多世紀。

直到2017年，加州大學舊金山分校的David Julius團隊給出了答案。他們把鰩的電感受細胞分離出來，用膜片鉗技術記錄其電活動，最后找到了一個叫CaV1.3的電壓門控鈣通道在其中起到關鍵作用。鰩的CaV1.3相比其他物種的同源蛋白多了一段關鍵的帶正電荷的氨基酸序列，這使得通道的電壓門控閾值向更負的方向整體偏移了超過20毫伏，大大增加了靈敏程度。原本需要在較強電壓下才能打開的通道，在極微弱的外界電場擾動下就能瞬間洞開[8]。至此幾百年來對于鯊魚壺腹這一器官的探尋，迎來一個較完整的答案。

03 麥克斯韋的鴿子總比薛定諤的貓要好

正如我們高中物理學的那樣，1820年，丹麥物理學家奧斯特偶然發現，一根通電導線能讓旁邊的指南針偏轉。電流流過導線，周圍就產生了磁場，這就是電生磁。隨即1831年，英國物理學家法拉第發現閉合電路的一部分導體切割磁感線或磁通量變化時產生感應電流或電動勢。這就是磁生電，也就是電磁感應。隨后1865年數學好的麥克斯韋給出了他的方程，指出電和磁之間深刻的本質關系。

既然生物已經能感電，那能不能感受磁呢？答案當然是可以的，比如大家耳熟能詳的鴿子可以通過感受地磁場來實現導航。但是鴿子為什么那么大？啊不，鴿子怎么感受磁感覺呢？這一問題由此引發了百余年的科學探索。

1882年，法國動物學家卡米耶·維吉爾猜想：如果動物的內耳中含有導電液體，而身體在飛行中頭部不斷擺動，那么導電液體就會切割地球磁場的磁力線，由此感應出微弱的電流。動物如果能捕捉到這股電流，就能感知地球磁場。當時科學家們一邊驚嘆此假說的精妙，一邊將其丟進歷史的垃圾堆。因為其雖然不無科學道理，但地球磁場只有約25到65微特斯拉（冰箱貼的磁場的幾百分之一）。在體內能感應出的電流微弱到了物理的極限，它的探測需要一個極其靈敏的“生物電表”，這實在是超出了人們最瘋狂的想象。

進入科學發展的新時代后，人們為了解決這個問題。先后提出兩種假說：一是“自由基對假說”。先是在1978年由Schulten提出，動物體內可能存在某種分子，能夠在吸收光子后產生一對相互糾纏的自由基電子，而這對電子的自旋狀態會受到地球磁場的微弱影響[9]。原理如下,一個分子因吸收光能等原因，產生的各帶一個未配對電子的自由基分子，這對自由基間存在量子關系且依據其自旋關系可以分為單重態和三重態兩種能態。單重態的兩個電子自旋方向相反，磁性相互抵消，所以對外總磁矩為零。而三重態的兩個電子自旋方向平行，使得對外呈現磁性，并可以根據方向再細分為三態。正常情況下單重態和三重態可以互相轉換，但是在外界磁場的作用下，三重態的各態間能量出現差異，與單重態有了能量壁壘，改變了單重態和三重態之間的轉換速率，這就是塞曼效應（Zeeman effect）。就像一場雙人舞，其中一方腳下的地突然升高了，導致兩人無法像之前那樣順利交換位置。而我們高中所學的泡利不相容原理告訴了我們：只有總自旋為零的單重態可以結合成穩定的化學產物。三重態不能直接回到基態的穩定分子，它只能分開變成兩個獨立的自由基，或者跟別的東西反應掉。因此，自由基對的最終化學反應產物的比例，與外界的磁場有關聯。生物可以通過感知反應產物的比例來感知外界磁場。

很明顯，就像大家看到這個的感受一樣，這個藝術對于當時的人類還是太早了，所以Schulten提出后大家基本都認為這哥們在搞笑，因此無人問津。Schulten本人和他的學生Thorsten Ritz卻沒有放棄，于2000年發表了一篇里程碑論文——《一種基于光受體的鳥類磁感受模型》[10]。他們首次提出：自由基對可能形成于一種特定的蛋白質隱花色素（cryptochrome）之中，而這種蛋白質恰好位于鳥類的視網膜中。隱花色素是一種藍光受體蛋白，輔基為黃素腺嘌呤二核苷酸（FAD）。吸收藍光后，FAD進入激發態，從相鄰色氨酸殘基奪取電子，形成[FAD??+ Trp??]自由基對。這個自由基對中的兩個未配對電子在單重態和三重態之間振蕩，振蕩頻率被外界磁場調制，最終影響化學反應產物的比例。

這一假說的最大貢獻，是指明了一個具體的、可實驗檢測的分子，于是眾人開始跟進。行為學上也慢慢開始支持這一觀點，先是1993年Wiltschko夫婦報告：鳥類的磁感覺依賴光線，紅光會破壞鳥類的方向感[11]。隨后2004年關鍵的行為學證據表明，給遷徙中的歐亞鴝施加了特定頻率的振蕩磁場，結果發現鳥類的定向能力被顯著擾亂，且當外加振蕩磁場與地磁場方向平行時，鳥類定向正常；而當兩者呈一定角度時，定向則被干擾。這一頻率選擇性和角度依賴性，精確地符合自由基對量子力學的理論預言[12]。

2021年自由基對假說迎來了真正的分子生物學證據，三家院校聯合首次從夜間遷徙的歐亞鴝視網膜中分離出隱花色素4（CRY4）蛋白，并在體外實驗中直接測定了其具有磁敏性。并發現遷徙物種的CRY4磁靈敏度顯著高于非遷徙物種（雞、鴿）的同源蛋白，表明該蛋白在進化中確實被遷徙選擇壓力所塑造，而不是由于感知晝夜節律等原因。并鑒定出其中的四個連續色氨酸（TrpA/B/C/D）在其中發揮了重要作用[13]。

Figure 3 鳥類依賴隱花色素感知磁場的總結。夜間遷徙鳴禽通過磁場進行定向時，前腦區域Cluster N高度活躍。圖片來源：Mouritsen & Hore, 2012, Curr. Opin. Neurobiol.

雖然這找到了一個非常好的分子受體，研究仍然存在缺憾。就如研究團隊在文章中所說，我們在這項研究里，檢查的是在動物體外的實驗室中的分離蛋白，而且所用的磁場也強于地球磁場。且CRY4在視網膜的哪一類細胞里表達？磁信號產生之后，經由哪條神經傳入大腦？能不能用磁場直接激活CRY4在活體鳥眼內？但即使這些問題存在，總體而言，這仍然是支持“自由基對假說的非常強有力的證據。

另一派則堅持“磁鐵礦假說”。這個假說的邏輯出發點相比上一個極其樸素：1975年，科學家布萊克莫爾（Richard P. Blakemore）在一種名為趨磁細菌的微生物體內，發現了一串由磁鐵礦（Fe?O?）晶體構成的鏈條。這串納米級別的指南針會在地磁場中受力偏轉，從而帶動整個細菌的身體，使其被動地沿著磁力線方向游動，以尋找更適合生存的低氧環境[14]。那么多細胞動物為什么不能在此基礎上，演化出一套更精密的磁感受器？

圖片來源于文獻[15]

Figure4趨磁細菌（a）趨磁細菌在水滴中沿磁場方向（箭頭）排列的光學顯微照片。細菌長度約為3 μm。（b）負染的趨磁細菌細胞的透射電子顯微照片，顯示其磁小體鏈和端生鞭毛。（c）一種海洋趨磁細菌薄切片的透射電子顯微照片，顯示磁鐵礦晶體和磁小體膜（MM）。

按照這個假說的構想，動物體內的某些特化細胞會通過生物礦化過程生成磁鐵礦納米顆粒。當這些顆粒的尺寸恰到好處（通常在幾十納米級別）時，就會成為單疇顆粒——擁有恒定的磁矩，像一枚微型的永久磁針。這些微磁針通過細胞骨架蛋白與細胞膜上的機械敏感性離子通道相連。當動物頭部轉動、磁針在地球磁場中受力偏轉時，這個微弱的機械力就會牽拉骨架蛋白，進而拉開或關閉跨膜離子通道。通道一開，細胞內外產生電位差，磁場信息就此被轉化為神經電信號，傳入大腦解碼，最終指導動物進行地磁定向或導航[16, 17]。

在2000年代早期，這一假說獲得了不少行為學和電生理證據的支持，一度被視作磁地圖（感知地理位置）功能最有力的候選機制，早期證據曾一度讓磁鐵礦假說接近勝出。先是多篇研究在蜜蜂、鮭魚、海龜和候鳥等多種動物的頭部組織中發現磁鐵礦物，證明這一現象可能相當普遍[18]。電生理實驗也從上喙附近的眼神經（三叉神經的一個分支）記錄到了對磁場變化有響應的神經放電活動[19]。

行為學上，最關鍵的實驗是用強磁脈沖處理鳥類，短而強的磁脈沖可以翻轉磁鐵礦納米顆粒的磁化方向（改變其剩余磁化狀態）。1994年至1998年，Wiltschko等人對澳大利亞銀繡眼鳥施加0.5特斯拉、持續數毫秒的強磁脈沖后，這些候鳥的定向顯著偏離了正常遷徙方向約90°，效果持續數天后消失；而且只有有經驗的成年候鳥才對脈沖有反應，當年剛離巢的幼鳥則不受影響，仿佛老司機的地圖被"重置"了[19]。

2004年，Mora等人發現：通過條件反射訓練，首次證明信鴿能主動辨別磁場異常的存在。當用磁鐵吸附鴿子上喙部、對上喙皮膚局部麻醉或切斷三叉神經眼支后，這種辨別能力就消失了；而切斷嗅覺神經則無影響。論文據此得出關鍵結論：磁感受（極可能基于磁鐵礦）就發生在鴿子的上喙區域，磁信息由三叉神經傳入大腦[20]。隨后多篇文章表明，在鴿子的上喙鳥類上喙真皮內層中均觀察到富含鐵元素、形態相似的樹突狀結構，且位于眼神經內側支的神經末梢[21]。

Figure5磁鐵礦假說。當年人們猜想的包含磁鐵礦的神經元以及感磁的模型。圖片來源：Johnsen & Lohmann, 2008, Phys. Today

基于這些證據，一種"雙傳感器分工模型"曾一度接近成為現代共識：視網膜中的隱花色素和上喙中的磁鐵礦聯合負責定位方向和位置。一切都是那么美好，按照經驗，只要再做一些細節上的修補，鴿子怎么感受地磁就將迎來一個大團圓結局。就仿佛開爾文勛爵在1900年的物理學大會上指出那樣，現代物理學的大廈已經建成，只有萬里晴空中的兩朵烏云。

但David Anthony Keays教授拒絕這種想法，2012年他發文使用更高分辨率的組織化學和成像技術，證明鴿子喙部此前被寄予厚望的那些含鐵細胞并非神經感受器，而是巨噬細胞，一種吞噬廢物并回收鐵的免疫細胞[22]。這無疑將“磁鐵礦說”逼到墻角。Keays本人對此的評價生動而精準：“我們本希望找到含有磁性晶體的神經細胞，卻意外發現了成千上萬的巨噬細胞，每一個都裝滿了微小的鐵球。”這篇論文直接導致磁鐵礦假說在解剖學層面遭受重創。正如當時的報道所言：“這一發現粉碎了既有的教條，將整個領域推回了正軌，對磁感受細胞的搜索重新開始。”

隨后，Keays團隊決定以身入局，并對磁感受領域的多個流行模型進行系統性審視。2015年，有論文聲稱模式生物秀麗隱桿線蟲（C. elegans）能依據地磁傾角辨別上下，來自英格蘭的蟲往上爬，澳大利亞的蟲往下鉆。[23]。Keays團隊對此進行了嚴格重復實驗，未能驗證原始結論，于2018年發表反駁論文，指出原始實驗存在方法學缺陷[24]。2017年，Keays發表綜述，系統梳理了三種主流假說的證據與問題，指出解決這一謎題需要開發新的遺傳工具，并采取跨越物理學、行為學、解剖學、生理學、分子生物學和遺傳學的跨學科策略[25]。2022年，Keays與Simon Nimpf更是發表“討賊檄文”，直指領域中六個經典的教條式論斷：磁感受不存在、必須是磁鐵礦、鳥喙有個保守的六位點磁感系統、必須是隱花色素、MagR是蛋白質羅盤、電磁感應假說已經死了[26]。這篇文章呼吁學界以更開放的實驗設計面對這個百年難題，這一指導理念展現了Keays清晰的頭腦，其隨后的實驗也基于此思想開展。

他的策略極其簡潔，卻極具穿透力：不去猜測傳感器長什么樣，不去站隊任何一個假說，而是去追蹤磁信號在大腦中去了哪里，然后倒著查回信息源頭。這條路的起點，是2011年Wu與Dickman發表的一項研究。他們發現，磁場能激活鴿子腦中的尾側前庭核、丘腦和海馬體。為了定位傳感器，他們做了一個關鍵實驗手術移除耳蝸管，結果前庭核的磁激活消失了。耳蝸管里包含兩個器官：聽壺（一種耳石器官）和聽乳頭（聽覺器官）。基于解剖位置，他們斷定傳感器在聽壺，并推測聽壺中可能含有磁鐵礦晶體，即“磁性耳石”，構成了磁傳感器。

鴿子精密的內耳深藏在顱骨之中，大致可以分為兩個功能區。一個是耳蝸管，即聽覺傳感器，內部排列著聽覺毛細胞，負責將聲波振動轉化為神經信號。鳥類的耳蝸管還沒有卷曲成哺乳動物那樣的蝸牛殼，只是一條彎管。另一個是前庭系統，即身體的平衡感覺中心。這是內耳中負責感知空間位置和運動狀態的全部結構的總稱，下面包含兩個子部門。第一個是半規管，由三根相互垂直、充滿導電液體（內淋巴液）的半圓形骨管組成，分別朝向三個空間維度（xyz軸）。當鴿子轉動頭部時，管中液體由于慣性滯后，會沖刷管底的感覺毛細胞，告訴大腦運動的方向，專門感知角加速度。第二個是耳石器官，包括橢圓囊和球囊，內部有細小的耳石覆蓋在毛細胞上。當鴿子傾斜頭部或加速前進時，耳石的慣性牽拉毛細胞，告訴大腦現在的姿勢是怎么樣的，專門感知重力和直線加速度。兩個子系統共享同一套導電的內淋巴液，彼此連通。在這套系統的邊界處，還有一個不太起眼的結構聽壺（圖6）。它是球囊向外延伸的一個小囊，位于耳蝸管的末端附近，內部也排列著毛細胞，在鳥類中屬于前庭系統的一部分，功能至今仍不完全清楚

圖片來源于文獻[27]

Figure 6鴿子內耳示意圖A）鴿子內耳示意圖，標出了三個含耳石器官——球囊、橢圓囊和聽壺——的位置。聽壺中的小圓點表示新發現的耳石團塊的位置。（B）示意圖標出了鴿子聽乳頭與聽壺之間的過渡區域。（C）沿B圖中虛線所示平面的聽壺剖面示意圖，描繪了額外耳石團塊與背側血管被蓋的緊密關系。

Keays團隊在仔細審視這個實驗后，發現了另一種可能性：移除耳蝸管不僅切除了聽壺，也破壞了整個內淋巴液系統的完整性。因為半規管、聽壺、前庭囊泡是相互連通的，切開耳蝸管會導致內淋巴液流失和離子濃度紊亂。換句話說，Wu與Dickman的實驗無法區分傳感器究竟在聽壺還是半規管。2019年，Keays團隊進一步用同步輻射X射線熒光顯微鏡專門掃描了鴿子聽壺，未能找到任何細胞外磁鐵礦顆粒。直接削弱了“聽壺磁鐵礦假說”的解剖學基礎，傳感器被重新定位到了半規管。于是，Keays重新將目光投向了跨越三個世紀的維吉爾提出的“電磁感應假說”。

百余年來，不是沒人重新考慮過電磁感應說，甚至有人搭建了理論模型并進行了嚴格的數學運算。最后得出結論，為了感受這幾十微特斯拉的地磁場，即使鴿子能在0.1秒內將頭旋轉九十度，所產生的感應電動勢也微乎其微，就算所有中間流程都優化到極致，所產生的信號的信噪比也才勉強達到可以辨認的閾值。他們甚至算出，如果有這樣一個“感應線圈”在鴿子里，那么根據鴿子的體型還有線圈的大小，這個線圈應該是內耳半規管。他們寫下：“因為熱噪聲、幾何尺寸、電阻匹配、生物體積等物理和生物約束，使得空氣中的電磁感應系統信噪比極低，只能勉強達到檢測閾值，無法形成可靠、普遍的磁場感知機制。”如同泊松算出泊松斑一樣，想用數學這把最鋒利的劍，給電磁感應說蓋棺定論。

但Keays團隊依舊不信這個邪，他們用更嚴謹的定量計算打破了這個成見，將鴿子內淋巴液的離子濃度和半規管CT掃描尺寸代入麥克斯韋方程組，算出地磁場下鴿子自然頭動（頻率可達每秒700°）能感應出約8-10納伏每厘米的電場。這個數字恰好落在已知鯊魚電感受系統檢測閾值（約5納伏每厘米）的范圍之內。百年猜想由此從“物理上不排除”變成了“生理上可檢測”。

2019年，Keays團隊發表了第一篇系統性的驗證論文。他們讓鴿子暴露在旋轉磁場中一個多小時，用c-Fos神經元活動標記物驗證了前人提到的尾側內側前庭核被顯著激活，而且這一激活在光照和完全黑暗條件下沒有差異。這暗示磁場信息去了內耳系統，且不依賴光線，即傳感器不在眼睛，而在內耳[28]。緊接著，他們在鴿子內耳毛細胞中找到了與鰩魚電感受器高度同源的分子裝備：CaV1.3鈣通道和BK鉀通道。其中鴿子CaV1.3同樣帶有一段富含正電荷賴氨酸的插入片段，提示其可能可以能把微弱到幾納伏的電場擾動轉化為神經電信號，且這些通道恰好富集在毛細胞頂端，可以直接接觸內淋巴液、檢測感應電流。百年猜想終于有了分子候選[28]。

2019年的工作拼上了四塊關鍵拼圖：磁場信息去了內耳、物理上感應出的電場量級夠、毛細胞裝著鯊魚、鰩魚同款的電場探測分子、這套分子的物種分布恰好與已知磁感覺動物名單吻合。但它還有一個關鍵的缺口——只證明了“硬件存在、物理上可行”，尚未在活體動物中證明這些分子真的被用于感知磁場 。

這個缺口，在2025年被補上了。2025年11月，Keays團隊在《科學》雜志上發表了集大成之作[29]。這一次，他們把c-Fos技術升級為全腦活動圖譜，配合顯微鏡和全腦透明化技術對整個鴿子大腦進行三維成像，用機器學習算法自動識別所有被磁場激活的神經元，不再局限于已知的前庭核區域。這是一次真正意義上的無偏篩選：讓數據自己說話，而不是帶著預設去找證據。

結果在確認前庭核激活的基礎上，進一步將激活區域精確到了背內側部，并發現了多感官信息整合區域的尾側中腦皮層也被顯著激活。前者接收半規管和耳石器官的直接輸入，后者則將磁信號與其他感官信息進行整合。一條從內耳到大腦的磁信號處理回路開始浮現。

接下來的單細胞轉錄組測序是決定性的突破。他們對鴿子半規管底部感覺上皮的細胞進行了逐個測序，發現了至少兩種分子表達模式不同的毛細胞群體。其中II型毛細胞高表達電磁敏感蛋白，不僅包含了2019年預測的CaV1.3和BK剪接變體，其電壓感受結構也比同組織中其他毛細胞更為豐富。這群細胞，推測正是被專門調校來檢測微弱膜電位擾動的“電磁感應毛細胞”。

一個更關鍵的對照實驗夯實了最終結論：在完全黑暗的環境中重復全部實驗，鴿子大腦對磁場的響應模式與有光時幾乎完全一致。這揭示了起碼有一條不依賴"光-隱花色素"機制的磁感覺途徑。Keays本人將這一發現命名為“黑暗指南針”。

Figure7從內耳半規管到海馬體的信號傳導過程。圖片來源：Nordmann et al., 2026

至此，電磁感應說得到了閉環：鴿子飛行時頭部擺動→內耳半規管中導電的內淋巴液切割地球磁力線→感應出微弱電流→II型毛細胞頂端的電敏感CaV1.3通道捕捉電流→經前庭神經傳入大腦→在尾側內側前庭核和尾側中腦皮層被加工處理→最終在海馬體中被整合成空間導航信息。

從2011年Wu與Dickman的初步發現，到2019年搭建框架、糾正傳感器位置、找到候選分子，再到2025年鎖定細胞、完成功能驗證閉環。跨越十四年、三代技術迭代，Keays團隊將維吉爾在1882年提出的那個被遺忘百余年的電磁感應猜想，從一個生物物理學極限上的可能性，變成了一個有分子、有細胞、有神經回路的科學事實。最后Keays的核心觀點仍然是開放和多元的。他直接排除了特定區域內存在磁鐵礦神經元的可能性，但并不排除其他位置存在基于此原理的磁感受器學說。正如他文章中寫的那樣：“我們的數據表明內耳中存在一個‘黑暗指南針’，而其他研究指向視覺系統中存在一個光依賴性指南針。很有可能，磁感受是在不同生物中趨同演化而來的，還有許多東西有待發現！”

但嚴謹的來說，Keays想要真正的證明CaV通道是感受磁產生的的感生電動勢的受體以及尾內側前庭核是電磁感覺細胞所投射到的中樞核團，還需要進行幾個實驗：一是敲除或敲降毛細胞中的CaV通道看是否會影響外加磁場引發的毛細胞產生的電信號。二是傳統的C-Fos技術雖然有效，但仍存在顯著的背景，信噪比有提升的空間。如果能采用鈣成像或者電生理技術，實時檢測到外加磁場后腦區的變化，實驗結果將會更可信。

04 人中呂布 胞中毛細胞

人類用超導和量子態的最新知識搭出的儀器仿佛一座精密的宮殿，毛細胞只用幾皮升的細胞質和幾個蛋白質，搭了一個四面透風的窩棚。宮殿里的儀器能測到單個聲子、單個磁通量子，可它們離不開液氦、法拉第籠和無塵隔振臺。草臺班子里的毛細胞，泡在或恒溫或變溫的鹽水里，被熱噪聲撞得東倒西歪，還要打三份工，聽納米級的振動，捕微伏級的電場，撈皮安級的磁感電流。精度上，儀器贏了，贏得很徹底，贏了可能一百萬倍。但能效上、體積上、多任務集成上，毛細胞把人類工程師按在地上摩擦。一個細胞，一套CaV通道的剪接變體，參與了機械、電、磁的三重跨界。可以說精通唱跳RAP，只差不會打籃球。進化的奇妙不在于它造出了“最好的傳感器”，而在于它在“只能用水、只能保溫、只自供電、終身不換零件”的苛刻條件下，把性能剛好推到了生存的及格線。

幾百年來，從Huschke到Corti，從法拉第到維吉爾，從Julius到Keays。科學從來不是一個人的沖刺，而是一代又一代人跨越世紀的接力。將那些被遺忘在故紙堆里的猜想，放回人間，在合適的時間，把它們重新打撈上來。而這個人，也許就是正在讀這篇文章的你。

本文作者之一閆致強為首都醫科大學基礎醫學院院長、首都醫學科學創新中心醫學生理研究所所長

參考資料：

• [1] Gitter, A.H. and S. Preyer, [A brief history of hearing research. III. Microscopic anatomy]. Laryngorhinootologie, 1991. 70(8): p. 417–21.
• [2] Kandel, E.R., et al., in Principles of Neural Science, 6e. 2021, McGraw Hill: New York, NY.
• [3] Zheng, W. and J.R. Holt, The Mechanosensory Transduction Machinery in Inner Ear Hair Cells. Annu Rev Biophys, 2021. 50: p. 31–51.
• [4] Marrocchio, R. and O.M. D, Links regulate deflection fluctuations in the sensory cells of hearing. Phys Rev E, 2025. 111(3-1): p. 034403.
• [5] Venkataraman, V., et al., Re-make, re-model: evolution and development of vertebrate cranial lateral lines. Biol Rev Camb Philos Soc, 2025. 100(6): p. 2237–2256.
• [6] Murray, R.W., Electrical sensitivity of the ampullae of Lorenzini. Nature, 1960. 187: p. 957.
• [7] Kalmijn, A.J., The electric sense of sharks and rays. J Exp Biol, 1971. 55(2): p. 371–83.
• [8] Bellono, N.W., D.B. Leitch, and D. Julius, Molecular basis of ancestral vertebrate electroreception. Nature, 2017. 543(7645): p. 391–396.
• [9] Schulten, K., C.E. Swenberg, and A. Weller, A Biomagnetic Sensory Mechanism Based on Magnetic Field Modulated Coherent Electron Spin Motion. Zeitschrift für Physikalische Chemie, 1978. 111(1): p. 1–5.
• [10] Ritz, T., S. Adem, and K. Schulten, A model for photoreceptor-based magnetoreception in birds. Biophys J, 2000. 78(2): p. 707–18.
• [11] Wiltschko, W., et al., Red light disrupts magnetic orientation of migratory birds. Nature, 1993. 364(6437): p. 525–527.
• [12] Ritz, T., et al., Resonance effects indicate a radical-pair mechanism for avian magnetic compass. Nature, 2004. 429(6988): p. 177–80.
• [13] Xu, J., et al., Magnetic sensitivity of cryptochrome 4 from a migratory songbird. Nature, 2021. 594(7864): p. 535–540.
• [14] Blakemore, R., Magnetotactic bacteria. Science, 1975. 190(4212): p. 377–9.
• [15] Frankel, R.B. and D.A. Bazylinski, How magnetotactic bacteria make magnetosomes queue up. Trends Microbiol, 2006. 14(8): p. 329–31.
• [16] Yorke, E.D., A possible magnetic transducer in birds. J Theor Biol, 1979. 77(1): p. 101–5.
• [17] Shcherbakov, V.P. and M. Winklhofer, The osmotic magnetometer: a new model for magnetite-based magnetoreceptors in animals. European Biophysics Journal, 1999. 28(5): p. 380–392.
• [18] Kirschvink, J.L., M.M. Walker, and C.E. Diebel, Magnetite-based magnetoreception. Curr Opin Neurobiol, 2001. 11(4): p. 462–7.
• [19] Wiltschko, R. and W. Wiltschko, The magnetite-based receptors in the beak of birds and their role in avian navigation. J Comp Physiol A Neuroethol Sens Neural Behav Physiol, 2013. 199(2): p. 89–98.
• [20] Mora, C.V., et al., Magnetoreception and its trigeminal mediation in the homing pigeon. Nature, 2004. 432(7016): p. 508–11.
• [21] Falkenberg, G., et al., Avian magnetoreception: elaborate iron mineral containing dendrites in the upper beak seem to be a common feature of birds. PLoS One, 2010. 5(2): p. e9231.
• [22] Treiber, C.D., et al., Clusters of iron-rich cells in the upper beak of pigeons are macrophages not magnetosensitive neurons. Nature, 2012. 484(7394): p. 367–70.
• [23] Vidal-Gadea, A., et al., Magnetosensitive neurons mediate geomagnetic orientation in Caenorhabditis elegans. Elife, 2015. 4.
• [24] Landler, L., et al., Comment on "Magnetosensitive neurons mediate geomagnetic orientation in Caenorhabditis elegans". Elife, 2018. 7.
• [25] Nordmann, G.C., T. Hochstoeger, and D.A. Keays, Magnetoreception-A sense without a receptor. PLoS Biol, 2017. 15(10): p. e2003234.
• [26] Nimpf, S. and D.A. Keays, Myths in magnetosensation. iScience, 2022. 25(6): p. 104454.
• [27] Malkemper, E.P., et al., Ectopic otoconial formation in the lagena of the pigeon inner ear. Biol Open, 2018. 7(8).
• [28] Nimpf, S., et al., A Putative Mechanism for Magnetoreception by Electromagnetic Induction in the Pigeon Inner Ear. Curr Biol, 2019. 29(23): p. 4052–4059 e4.
• [29] Nordmann, G.C., et al., A global screen for magnetically induced neuronal activity in the pigeon brain. Science, 2026. 391(6790): p. 1155–1160.