在復(fù)雜多變的自然環(huán)境中，大腦如何快速、簡(jiǎn)潔、精準(zhǔn)地判斷天敵信號(hào)，并第一時(shí)間產(chǎn)生合適的防御反應(yīng)，是物種得以生存與繁衍的重要前提，也是科學(xué)家長(zhǎng)期致力于破解的謎題。
中國(guó)科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院研究員王立平團(tuán)隊(duì)近日在“動(dòng)物大腦快速防御天敵反應(yīng)的簡(jiǎn)單策略”方面有了最新發(fā)現(xiàn)，相關(guān)成果發(fā)表于國(guó)際學(xué)術(shù)期刊《BMC生物學(xué)》(BMC Biology)。該研究揭示了小鼠的大腦在處理視覺(jué)線索時(shí)，存在一個(gè)用于檢測(cè)天敵的“警戒范圍”，通過(guò)這種方式可以快速識(shí)別危險(xiǎn)信號(hào)，并誘發(fā)防御反應(yīng)。助理研究員楊星、劉清晴和博士生鐘金玲為該論文的共同第一作者，王立平研究員為通訊作者。
楊星說(shuō)，自然環(huán)境中充斥著各種復(fù)雜的感覺(jué)線索，動(dòng)物需要基于這些線索作出判斷。一方面，它們需要快速檢測(cè)到逼近的天敵，并采取恰當(dāng)?shù)姆烙袨椋瑏?lái)確保自身的安全;另一方面，它們不能對(duì)非危險(xiǎn)性線索，比如飛過(guò)的昆蟲(chóng)做出過(guò)度反應(yīng)，以免白白耗費(fèi)體力并錯(cuò)失獲得食物和配偶的機(jī)會(huì)。這是動(dòng)物在漫長(zhǎng)的進(jìn)化過(guò)程中逐漸形成的本能，對(duì)動(dòng)物的生存和繁衍至關(guān)重要。
“視覺(jué)線索是動(dòng)物快速檢測(cè)危險(xiǎn)的重要依據(jù)，此前研究常用一個(gè)逐漸擴(kuò)大的陰影圓盤(pán)來(lái)模擬捕食者的攻擊，并成功誘發(fā)了小鼠的本能防御反應(yīng)。這說(shuō)明，如果只基于某些關(guān)鍵視覺(jué)線索進(jìn)行判斷，可能會(huì)忽略掉一些細(xì)節(jié)。”楊星表示。
那么，動(dòng)物到底基于哪些視覺(jué)線索來(lái)判斷風(fēng)險(xiǎn)，又有哪些線索是不需要過(guò)多關(guān)注的呢?在研究過(guò)程中，研究團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了基于紅外觸摸屏的小動(dòng)物行為自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過(guò)給小鼠設(shè)定視覺(jué)刺激，記錄小鼠在遇到視覺(jué)刺激時(shí)的反應(yīng)參數(shù)。
王立平告訴記者，科研團(tuán)隊(duì)的自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)，可以記錄小鼠在裝置內(nèi)的行為數(shù)據(jù)，比如小鼠大小、位置以及對(duì)應(yīng)的時(shí)間，根據(jù)這些數(shù)據(jù)，科研團(tuán)隊(duì)可以計(jì)算小鼠逃跑的速度、僵直的時(shí)間、站立的次數(shù)，等等，數(shù)據(jù)的采集和后續(xù)的計(jì)算和統(tǒng)計(jì)都可由程序完成，可以說(shuō)這一系統(tǒng)基本實(shí)現(xiàn)了小鼠行為數(shù)據(jù)采集和分析的自動(dòng)化。
研究人員通過(guò)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，給小鼠呈現(xiàn)一系列以不同速度擴(kuò)大、具有不同大小的圓盤(pán)陰影，記錄并量化分析了小鼠由這些視覺(jué)刺激引發(fā)的行為反應(yīng)，包括逃跑、僵直和站立等。團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，小鼠對(duì)圓盤(pán)陰影的大小變化和擴(kuò)大速度的檢測(cè)存在一個(gè)“警戒范圍”，即大小處于10°至40°，擴(kuò)大速度在57°每秒至320°每秒這個(gè)范圍內(nèi)的圓盤(pán)陰影，更容易引發(fā)強(qiáng)烈的逃跑反應(yīng)。
王立平說(shuō)，基于研究中發(fā)現(xiàn)的“警戒范圍”，在進(jìn)一步的驗(yàn)證中，研究團(tuán)隊(duì)根據(jù)動(dòng)物大小和來(lái)襲速度，模擬倉(cāng)鸮、蜻蜓、蒼蠅等動(dòng)物對(duì)小鼠的視覺(jué)刺激。
團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，捕食鼠類(lèi)的猛禽，如黑翅鳶、倉(cāng)鸮等，它們?cè)诓妒尺^(guò)程中的影像，基本符合小鼠的“警戒范圍”，而低危險(xiǎn)性的視覺(jué)線索，如蒼蠅、蜻蜓等昆蟲(chóng)靠近的影像，則與“警戒范圍”不重合或只有很少的重合。由此推測(cè)，“警戒范圍”代表發(fā)動(dòng)攻擊的捕食者所具有的共同視覺(jué)特征。
經(jīng)過(guò)系列實(shí)驗(yàn)后，團(tuán)隊(duì)得出小鼠檢測(cè)捕食者的策略：小鼠基于視覺(jué)線索是否處于警戒范圍來(lái)做出反應(yīng)，而不是為不同的天敵“定制”特定的檢測(cè)機(jī)制，這個(gè)簡(jiǎn)單的策略，有助于小鼠快速且精準(zhǔn)地辨識(shí)真正的危險(xiǎn)。王立平說(shuō)，該研究將有助于理解大腦處理危險(xiǎn)信號(hào)的神經(jīng)機(jī)制及其進(jìn)化意義。
關(guān)鍵詞：
