蹄蝠（Rhinolophus nippon）通过回声定位频率调控抑制杂波噪声以提升猎物探测能力

《Communications Biology》：Horseshoe bats (Rhinolophus nippon) suppress clutter noise through echolocation frequency control to detect prey

　　

高效的信息获取对动物生存至关重要，主动感知物种通过自适应调整自发生成信号，为解决感官挑战提供了深刻启示。蹄蝠在飞行中降低回声定位信号的发射频率，使回声频率在多普勒频移作用下稳定在参考频率（fref）。研究人员发现，这一机制除将回声匹配至听觉最敏感频段外，还能抑制背景杂波噪声，增强猎物探测能力。通过幻影回声回放实验及机载录音记录，研究表明蹄蝠针对最高频回声而非最强回声进行多普勒频移补偿，使杂波回声频率降至fref以下，形成其上方的“寂静频谱窗口”。此外，猎物捕获录音及噪声回放实验显示，飞蛾振翅产生的频谱闪烁信号出现在此窗口内并被用于猎物探测，揭示了感官系统在复杂环境中实现可靠信息提取的演化策略。

研究背景方面，主动感知物种通过优化信号设计与使用策略以适应环境变化，其中高占空比（HDC）蝙蝠演化出长时程、短静息间隔的恒定频率（CF）与调频（FM）组合信号，以检测猎物的振翅运动。其听觉系统在f_ref附近形成高度敏锐的听觉敏感区，称为声学中央凹（acoustic fovea）。在飞行过程中，蝙蝠自身的运动会产生多普勒频移，因此HDC蝙蝠通过多普勒频移补偿（DSC）降低发射脉冲频率，使回声稳定在f_ref。然而，以往研究发现DSC的目标并非猎物回声，而是静止背景物体的回声，这与“将最重要信号稳定在听觉最敏感区”的预期相矛盾，其深层功能尚未明确。本研究旨在揭示DSC除稳定回声频率外的潜在作用，探索其在复杂声学环境中的信息提取策略。

关键技术方法方面，研究人员使用11只野生日本蹄蝠（Rhinolophus nippon），分为四组实验：实时幻影回声回放实验，通过双外差法处理蝙蝠发声并回放不同强度与频移的多重回声；自由飞行实验，利用机载麦克风记录真实回声，并通过吸音墙与反射墙交替布置打破回声强度与频移的对应关系；猎物捕获实验，记录蝙蝠攻击飞蛾时的回声特征；窄带噪声干扰实验，分别在f_ref上下方播放噪声以评估寂静频谱窗口的功能。统计采用Firth惩罚似然逻辑回归分析攻击行为数据。

研究结果如下：

1. 1.
   澄清DSC行为的回声选择规则：幻影回声回放实验表明，当同时存在最大强度与最高频回声时，蝙蝠始终以最高频回声为补偿目标，即使其强度低20 dB，说明DSC由频率驱动而非强度驱动。
2. 2.
   机载麦克风记录的蝙蝠真实回声：自由飞行实验中，蝙蝠在交替面对反射墙与吸音墙时仍优先补偿最高频回声，并在f_ref上方形成寂静频谱窗口，下方则充满杂波回声。
3. 3.
   猎物捕获情境下的DSC行为测量：攻击飞蛾时，蝙蝠未对短暂且不稳定的振翅频谱闪烁进行补偿，而是维持对背景最高频回声的DSC，使闪烁信号出现在寂静窗口内，显著提升信噪比。
4. 4.
   寂静频谱窗口内的猎物探测窄带噪声实验：在f_ref上方播放噪声时，蝙蝠攻击率降至37.5%，而在无噪声或下方噪声条件下均为100%，证实该窗口对猎物探测至关重要。

讨论部分指出，DSC通过物理层面的频率调控，将自身发射脉冲的背景回声压制到f_ref以下，为猎物运动信号开辟无干扰的寂静频谱窗口，与声学中央凹的生理敏感特性形成功能协同。这一机制超越了单纯的神经特化，体现了主动感知系统结合物理原理突破生理限制的策略。研究解决了DSC目标选择的矛盾，明确了其在提升信噪比与复杂环境适应中的终极功能，为理解动物感知系统的演化提供了新视角。论文发表于《Communications Biology》。