研究揭示魚類可利用重力方向上的視覺運(yùn)動(dòng)線索識(shí)別生物運(yùn)動(dòng)

在復(fù)雜環(huán)境中存在的各種運(yùn)動(dòng)信息中精準(zhǔn)地辨別出生物運(yùn)動(dòng)（biological motion），是所有動(dòng)物實(shí)現(xiàn)趨利避害的生存適應(yīng)性行為的前提。生物運(yùn)動(dòng)檢測理論（life motion detector theory）認(rèn)為，包括人類在內(nèi)的陸生脊椎動(dòng)物僅憑視覺運(yùn)動(dòng)線索即可識(shí)別生命體的信息，且垂直方向（即重力方向）上的運(yùn)動(dòng)線索在其中起著關(guān)鍵作用。為了剝離形狀、顏色等非運(yùn)動(dòng)線索，進(jìn)而直觀地檢測運(yùn)動(dòng)線索在生物運(yùn)動(dòng)識(shí)別中的作用，研究通常使用附著在主要關(guān)節(jié)處的光點(diǎn)運(yùn)動(dòng)來表達(dá)生物運(yùn)動(dòng)信息。通過將生物運(yùn)動(dòng)進(jìn)行垂直方向上的倒置，研究可以破壞其重力方向上的運(yùn)動(dòng)線索。研究發(fā)現(xiàn)，相比于正立的生物運(yùn)動(dòng)信息，人類對這種倒置生物運(yùn)動(dòng)信息的識(shí)別變得更為困難，表現(xiàn)出生物運(yùn)動(dòng)加工的倒置效應(yīng)。這種效應(yīng)存在于人類，并在其他諸多陸生脊椎動(dòng)物，如小雞、狒狒、狨猴等物種中也存在。那么，生物運(yùn)動(dòng)加工的倒置效應(yīng)是動(dòng)物適應(yīng)陸地生活而進(jìn)化出的特異性機(jī)制，還是源自與陸地動(dòng)物生活環(huán)境完全不同、而進(jìn)化上更早的水生動(dòng)物，目前尚不清楚。

中國科學(xué)院心理研究所研究員蔣毅研究組與生物物理研究所副研究員劉祖祥合作，以斑馬魚為模式動(dòng)物，通過三個(gè)實(shí)驗(yàn)探究了生物運(yùn)動(dòng)加工的倒置效應(yīng)是否同樣存在于水生動(dòng)物中。利用圖1所示的裝置，實(shí)驗(yàn)1在魚缸兩側(cè)給斑馬魚呈現(xiàn)正立的生物運(yùn)動(dòng)刺激和非生物運(yùn)動(dòng)刺激（勻速運(yùn)動(dòng)的光點(diǎn)），以驗(yàn)證斑馬魚是否能夠識(shí)別魚類的生物運(yùn)動(dòng)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，與非生物運(yùn)動(dòng)相比，斑馬魚更偏向于在呈現(xiàn)正立生物運(yùn)動(dòng)刺激的那側(cè)缸壁附近游動(dòng)（圖2a），也更喜歡看向正立的生物運(yùn)動(dòng)刺激（圖2b），因而表明斑馬魚能夠區(qū)分生物運(yùn)動(dòng)和非生物運(yùn)動(dòng)。

在此基礎(chǔ)上，通過同時(shí)在魚缸兩側(cè)呈現(xiàn)正立的和倒立的生物運(yùn)動(dòng)刺激，實(shí)驗(yàn)2重點(diǎn)考察了斑馬魚是否能夠表現(xiàn)出生物運(yùn)動(dòng)加工的倒置效應(yīng)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，斑馬魚整體上更偏向在呈現(xiàn)正立生物運(yùn)動(dòng)刺激的缸壁附近游動(dòng)（圖2c），即相比倒立的生物運(yùn)動(dòng)刺激，它們更偏好正立的生物運(yùn)動(dòng)刺激。實(shí)驗(yàn)2未發(fā)現(xiàn)斑馬魚會(huì)更多地看向正立的生物運(yùn)動(dòng)刺激，研究推測同時(shí)呈現(xiàn)正倒立兩種非常相似的生物運(yùn)動(dòng)刺激會(huì)存在潛在競爭，因此，在實(shí)驗(yàn)3中，對于每條測試的斑馬魚，僅會(huì)在魚缸一側(cè)呈現(xiàn)正立或倒立的生物運(yùn)動(dòng)刺激。此時(shí)，與倒立的生物運(yùn)動(dòng)刺激相比，斑馬魚看向正立生物運(yùn)動(dòng)刺激的比例顯著增多（圖2d）。綜合以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果，研究首次證明斑馬魚具有區(qū)分正立和倒立生物運(yùn)動(dòng)信息的能力，表現(xiàn)出生物運(yùn)動(dòng)加工的倒置效應(yīng)。

該研究說明，與陸生脊椎動(dòng)物一樣，進(jìn)化上更早的水生脊椎動(dòng)物很可能具有對重力方向上的視覺運(yùn)動(dòng)線索敏感的生物運(yùn)動(dòng)檢測機(jī)制，進(jìn)而提示依賴重力的生物運(yùn)動(dòng)加工可以追溯到古老的水生動(dòng)物。研究進(jìn)一步分析了斑馬魚游動(dòng)、鴿子行走和人類行走的運(yùn)動(dòng)參數(shù)，發(fā)現(xiàn)正立的生物運(yùn)動(dòng)在重力方向上的速度和加速度具有相似的運(yùn)動(dòng)模式，這進(jìn)一步支持了視覺系統(tǒng)可能存在一種基于重力規(guī)則的跨物種生物運(yùn)動(dòng)檢測機(jī)制。這一成果為今后利用斑馬魚作為模式動(dòng)物進(jìn)一步開展生物運(yùn)動(dòng)加工的神經(jīng)通路研究提供了可行的實(shí)驗(yàn)范式。相關(guān)研究成果在線發(fā)表在Research上。研究工作得到科技創(chuàng)新2030-“腦科學(xué)與類腦研究”重大項(xiàng)目、國家自然科學(xué)基金、中科院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)等的支持。

圖1.實(shí)驗(yàn)設(shè)備、刺激及程序。正立、倒立及非生物運(yùn)動(dòng)均由6個(gè)均勻置于斑馬魚脊椎上的光點(diǎn)組成。

圖2.實(shí)驗(yàn)結(jié)果

來源：中國科學(xué)院心理研究所