Αν και οι περισσότεροι άνθρωποι δεν έχουν σε ιδιαίτερη υπόληψη τις ικανότητες του εγκεφάλου των πουλιών, που άλλωστε ζυγίζει μόλις μερικά γραμμάρια μπροστά στο 1,5 κιλό του ανθρώπινου εγκεφάλου, το πράγμα δεν «πάει με το κιλό». Σε συνδυασμό με ορισμένες άπιαστες για τον άνθρωπο αισθήσεις, το αποτέλεσμα αυτού του μικρού εγκεφάλου μπορεί να είναι καταπληκτικό, έστω κι αν οι λειτουργίες είναι πάντοτε σε ενστικτώδες επίπεδο. Ετσι, υπάρχουν μεταναστευτικά πουλιά που διανύουν αποστάσεις 17.000 χιλιομέτρων κάθε φθινόπωρο για να μεταναστεύσουν από τον Αρκτικό Κύκλο στον αντίποδά του στο νότιο ημισφαίριο της Γης. Στη διαδρομή σταματούν σε προκαθορισμένα σημεία για τροφή και ξεκούραση, κάνουν μια τριήμερη συνεχή πτήση πάνω από το Βόρειο Ατλαντικό, ακολουθούν την ακτογραμμή της Δυτικής Αφρικής και τελικά καταλήγουν στην Ανταρκτική. Την άνοιξη, στρέφονται και πάλι προς το βορρά, αλλά κατά μήκος μιας άλλης διαδρομής πάνω από τα ανατολικά παράλια της Νότιας και κατόπιν της Βόρειας Αμερικής.

Είτε είναι μεταναστευτικά, είτε απλώς επιστρέφουν στη φωλιά τους από μακρινές αποστάσεις, τα πουλιά είναι αξεπέραστοι πλοηγοί. Η επιστήμη δεν έχει ακόμα ανακαλύψει τους ακριβείς μηχανισμούς του εγκεφάλου τους που τους επιτρέπουν τέτοιες επιδεξιότητες. Τα σημάδια που χρησιμοποιούν τα πουλιά για να προσανατολιστούν δεν είναι προφανή, ούτε και απλά. Οι άνθρωποι συχνά χρησιμοποιούν χαρακτηριστικά της μορφολογίας του εδάφους για να προσανατολιστούν. Αλλά τα ταχυδρομικά περιστέρια μπορούν να γυρίσουν στη φωλιά τους από άγνωστες σε αυτά περιοχές, ακόμα και αν ήταν υπό αναισθησία στο ταξίδι του πηγεμού. Μπορούν να βρουν το δρόμο τους, ακόμα κι αν τα μάτια τους καλυφθούν με ημιδιαφανές γυαλί που δεν τους επιτρέπει να δουν πολύ πιο πέρα από τη μύτη τους ή σωστότερα από το ράμφος τους.

Προφανώς πρέπει να διαθέτουν κάποιο είδος πυξίδας και παράλληλα κάποια ιδέα της θέσης τους πάνω από την επιφάνεια της Γης, κάτι σαν χάρτη. Ωστόσο, τα πουλιά φαίνεται να γεννιούνται μόνο με «πυξίδες», όχι «χάρτες». Τα νεαρά πουλιά που μεταναστεύουν για πρώτη φορά ξέρουν απλώς ότι πρέπει να πετάξουν προς μια συγκεκριμένη κατεύθυνση για ορισμένο αριθμό ημερών. Το πού τελικά καταλήγουν είναι αποτέλεσμα αυτού του ενστίκτου και όχι κάποιου προσχεδιασμού.

Η εμπειρία φαίνεται να βελτιώνει τις ικανότητες των πουλιών για πλοήγηση με «χάρτη». Η πρώτη πτήση προς τα νότια της αρκτικής στέρνας είναι πολύ δύσκολη. Μόνο τα μισά από τα νεαρά πουλιά επιζούν. Αλλά όταν επιστρέφουν σαν ενήλικα μπορούν να προσδιορίσουν την επόμενη φορά με εξαιρετική ακρίβεια τον προσανατολισμό τους προς το νότο. Στη διάρκεια της ζωής τους θα κάνουν το ταξίδι με επιστροφή μεταξύ των πόλων γύρω στις 20 φορές.

Τα πουλιά θα μπορούσαν να αντιλαμβάνονται τη θέση τους πάνω στη Γη από τις τοπικές διακυμάνσεις του γήινου μαγνητικού πεδίου. Οι μαγνητικές δυναμικές γραμμές βγαίνουν κάθετα από το έδαφος κοντά στους πόλους, ενώ κοντά στον ισημερινό είναι σχεδόν παράλληλες με το έδαφος. Επίσης, η ένταση του πεδίου είναι μεγαλύτερη κοντά στους πόλους και μικρότερη στον ισημερινό. Μια πληθώρα στοιχείων δείχνουν ότι πραγματικά τα πουλιά χρησιμοποιούν αυτή τη μέθοδο πλοήγησης. Για να το πετύχουν φαίνεται ότι χρησιμοποιούν μια μαγνητοευαίσθητη χρωστική των ματιών τους. Κρύσταλλοι μαγνητίτη (ορυκτό του σιδήρου) που βρίσκονται πίσω από τον ουρανίσκο τους ίσως επίσης να συμβάλλουν στην ανίχνευση των μαγνητικών μεταβολών. Αλλά οι ειδικοί λένε ότι η ιστορία δεν τελειώνει εδώ.

Από τη δεκαετία του 1950 οι ορνιθολόγοι κατάλαβαν ότι τα πουλιά χρησιμοποιούν και τον ήλιο σαν πυξίδα, με ανάλογο τρόπο όπως οι περιπατητές του δάσους. Τα πουλιά φαίνεται να «περιμένουν» ότι ο ήλιος θα ανατείλει από την ανατολή, θα κινηθεί στον ουρανό με μέση ταχύτητα 15 μοίρες την ώρα και θα δύσει στη δύση. Ο Γερμανός ερευνητής Γκ. Κράμερ, του Ινστιτούτου Θαλάσσιας Βιολογίας, έκανε πειράματα με περιστέρια μέσα σε κυκλικά κλουβιά, βάζοντας τροφή μόνο σε μια από τις πολλές κούπες που είχε τοποθετήσει στον περίγυρο. Σύντομα τα πουλιά μάθαιναν να πηγαίνουν κατευθείαν σ' αυτή την κούπα, π.χ. εκείνη που βρισκόταν στη νοτιοδυτική πλευρά. Ακόμα κι αν περιέστρεφε το κλουβί, τις ηλιόλουστες ημέρες τα πουλιά πήγαιναν και πάλι στην κούπα που ήταν στην ίδια κατεύθυνση (έστω κι αν δεν είχε τώρα τροφή), αλλά τις νεφοσκεπείς ημέρες διάλεγαν τις κούπες στην τύχη. Σε άλλο πείραμα, τα κλουβιά που φωτίζονταν με μια σταθερή πηγή φωτισμού, περιστρέφονταν με ρυθμό 15^ο την ώρα. Στην περίπτωση αυτή τα πουλιά άλλαζαν κούπες με βάση τον προσανατολισμό όπου θα βρισκόταν η κούπα με την τροφή, αν η φωτεινή πηγή - ήλιος μετακινούνταν πραγματικά στον ουρανό.

Αλλα πειράματα έδειξαν ότι η διαδρομή του ήλιου στον ουρανό χρησιμοποιείται από τα πουλιά σαν πυξίδα, αλλά όχι και σαν χάρτης. Εγινε τελικά φανερό ότι ο προσανατολισμός των πουλιών περιλαμβάνει ένα σύμπλεγμα από στοιχεία και συστήματα ανίχνευσης, χωρίς ένα από αυτά να παίζει πρωταγωνιστικό ρόλο σε όλες τις περιπτώσεις. Χρησιμοποιούν εκείνο το σύστημα που είναι πιθανότερο να λειτουργήσει καλύτερα υπό τις δεδομένες συνθήκες. Τις ηλιόλουστες μέρες, για παράδειγμα, τα ταχυδρομικά περιστέρια φαίνεται να χρησιμοποιούν τον ήλιο σαν πυξίδα, ενώ τις νεφοσκεπείς φαίνεται να στηρίζονται περισσότερο στους μαγνητικούς ανιχνευτές τους. Πουλιά που μετακινούνται την αυγή και το σούρουπο, όπως οι κοκκινολαίμηδες, πιθανώς προσανατολίζονται από τη λωρίδα του πολωμένου φωτός που διατρέχει τον ορίζοντα από βορρά προς νότο αυτές τις ώρες του ημερονυκτίου. Αλλοι ερευνητές έχουν βρει ενδείξεις χρήσης της όσφρησης από πουλιά για να προσανατολιστούν και άλλοι ενδείξεις χρήσης των ανέμων. Ορισμένα πουλιά έχει διαπιστωθεί ότι μπορούν να χρησιμοποιήσουν σαν πυξίδα ακόμα και το νυχτερινό έναστρο ουρανό (κυρίως τα ωδικά πτηνά).

Αυτή η ευελιξία στη χρήση των κάθε λογής «πυξίδων» που διαθέτουν επιτρέπει στα πουλιά να βρίσκουν το δρόμο τους μέρα και νύχτα, με λιακάδα ή συννεφιά, πάνω από ωκεανούς και από ήπειρο σε ήπειρο.