“鸟脑”这个词听起来像是一种侮辱，直到你了解一些关于迁徙鸟类的事情。例如，北极燕鸥，不知怎么的，每年秋天都会从北极圈以北的繁殖地出发，沿着一条 11,000 英里的航线，飞往南半球的对跖点。它们会在芬迪湾找到喜欢的停歇点，在北大西洋的茫茫海面上连续飞行三天，然后绕过非洲西海岸，最后在南极浮冰上找到它们常去的冬歇地。然后，到了春天，它们又会沿着一条不同的路线——沿着南北美洲东海岸——向北飞去。
瑞典隆德大学的生态学家托马斯·阿勒斯塔姆说：“这些鸟类进行着地球上动物中最长的迁徙旅程。”
无论是迁徙还是归巢，鸟类都是出色的导航者。然而，科学家们仍然没有找到鸟类大脑中能够解释这种技能的机制。鸟类用来定位自身的线索既不简单也不明显。例如，人们通常会使用地理线索——地标——来导航。但是，家燕即使在陌生区域被麻醉的情况下，也能找到回家的鸽舍。即使戴着磨砂的隐形眼镜，使得它们只能看到喙前几码远的物体，它们也能找到路。
为了可靠地完成它们的季节性旅程，迁徙鸟类需要方向感——研究人员称之为指南针——以及对自身相对于地球表面位置的一些了解，这被称为地图。然而，鸟类似乎天生只有指南针，没有地图。迁徙的雏鸟只知道朝着给定的方向飞一段特定的天数。它们最终到达哪里是随机的，而不是有意设计的。
经验而非本能似乎能磨练鸟类的地图技能。第一次南飞对北极燕鸥的菜鸟来说非常艰难——不到一半能存活下来。但返回的成年鸟能以惊人的精确度找到它们南方的目的地。它们每年都会进行往返迁徙，长达 20 年或更久。纽约奥尔巴尼大学的鸟类学家肯·艾布尔说：“这需要真正的导航能力，而不仅仅是良好的方向感。”
鸟类可以根据地球磁场区域性的变化来推断位置和方位。磁场源自地球金属核心，力的线从两极垂直流向赤道，然后在热带地区变平。磁场在纬度较高地区最强，在磁赤道处最弱。磁场的强度和倾角构成了地磁地标，大量证据支持鸟类通过这些标记进行导航的观点。
例如，在迁徙季节，被圈养的鸟会在笼子边上跳跃，朝着它们在自由状态下会飞行的方向。德国法兰克福歌德大学的沃尔夫冈和罗斯维塔·威尔奇科夫妇已经证明，跳跃的方向可以通过虚假的地磁线索进行调整。在 20 世纪 90 年代初，他们模拟了花园莺穿越赤道时遇到的地磁场变化，结果鸟类的对磁场倾角的反应发生了逆转——如果跨赤道的迁徙鸟类要保持航线，自然界也必须如此。去年，瑞典斯德哥尔摩自然历史博物馆的研究人员通过人工重现撒哈拉沙漠边缘的地磁环境，诱发了圈养的画眉鸟暴食。迁徙的画眉鸟必须在穿越沙漠的五个夜晚之前增肥。
鸟类可能通过眼睛视网膜中的一种色素来感知地球磁场的强度和方向。嘴巴后部上颚上方的磁铁矿晶体——一种铁矿石——也可能对磁场刺激做出反应。但专家表示，故事并非就此结束。
虽然鹅、鹤和鹳以家族群体的形式迁徙，但大多数鸟类的幼鸟并不依赖有经验的亲属来指引。许多鸣禽是单独迁徙的；经验丰富的滨鸟群体会在雏鸟出发前几周离开北极。
自 20 世纪 50 年代以来，鸟类学家已经认识到，鸟类可以利用太阳作为指南针，就像野外徒步旅行者那样推算方向。鸟类似乎“预期”太阳会在早上从东方升起，以每小时约 15 度的平均速度在天空中移动，并在西方落下。德国马克斯·普朗克海洋生物学研究所的鸟类学家古斯塔夫·克拉默首先通过将鸽子关在带有喂食杯的圆形笼子里来证明了这一原理。他可以训练这些鸟从笼子西北方向的一个杯子处寻找食物——即使笼子被旋转或置于不同的环境中，它们也会这样做。在晴天，鸟儿会直线飞向杯子，但在阴天，受过训练的鸟儿则随机选择杯子。在另一项实验中，同样受过训练的椋鸟被置于室内笼子里，并用一个固定的光源照明。鸟儿整天系统地更换杯子，每小时改变约 15 度的方向——仿佛光线描绘了一个东西向的弧线，控制着它们的定向。
随后的研究表明，鸟类无法利用太阳弧作为地图。因此，很明显，定向涉及一系列的线索和感知系统，而不是单一的主控器。鸟类会根据具体情况部署最可能有效的系统。例如，在晴天，家燕会使用它们的太阳罗盘，但在阴天，它们似乎会转而依靠它们的磁传感器。在黎明和黄昏迁徙的鸟类，比如知更鸟，可能会通过日出日落时横跨天空的南北向的偏振光带来确定方向。几十年来，意大利比萨大学的生物学家弗洛里亚诺·帕皮一直认为，鸽子会从盛行风带来的气味中构建嗅觉地图。风本身就可以作为定向线索。许多鸣禽在夜间迁徙，使用由天体旋转设定的星辰罗盘。鸟类甚至可能能够识别某些星星。
康奈尔大学的神经生物学家查尔斯·沃尔科特说：“鸟类和人类一样，使用各种各样的线索来找到方向。它们使用哪种线索取决于哪种在它们的环境中最有用。”他曾对家燕的行为进行了许多决定性的研究。
托马斯·阿勒斯塔姆最近对北极滨鸟的研究揭示了灵活导航系统的优点。他利用雷达追踪迁徙的鹬和鸻鸟群，它们从繁殖地出发前往东南方向。鸟类的轨迹明显由太阳罗盘决定——这很有道理，因为在两极附近，倾斜的磁场线会发出令人困惑的信号，而且在极地夏季星星很少可见。但阿勒斯塔姆还发现，鸟类的飞行路径类似于大圆航线：喷气式飞机为了在高纬度地区尽量缩短东西向飞行时间而遵循的弯曲捷径。阿勒斯塔姆说，这种弯曲是由于连续的东西向飞行引起的某种“时差”造成的。由于一些迁徙鸟类在一两天内就跨越了四个时区，它们的内部时钟与太阳的运行时间不同步，它们的罗盘方位就会发生偏移。“它们会产生四小时，也就是 60 度的定向误差，”阿勒斯塔姆说。“这是鸟类利用太阳罗盘的‘弱点’来为自己谋利的一种方式。”
阿勒斯塔姆说，滨鸟在沿着北美东海岸飞行时，可能会转向其他线索，因为大圆捷径对于南北向航线并不存在，而且在赤道附近太阳的角度很难读取。“在热带纬度，我建议鸟类不要使用太阳罗盘。”
