大腦如何判斷危險信號？研究發現防禦反應的「簡單」策略

2020-08-13 科學網

作者：刁雯蕙

小鼠通過視覺刺激是否處於警戒範圍來判斷危險程度，並採用適當的行為反應。中科院深圳先進院供圖

在複雜多變的自然環境中，大腦如何「快速」「簡潔」「精準」地判斷天敵信號，產生快速且合適的防禦反應是物種得以生存與繁衍的重要前提。

近日，中國科學院深圳先進技術研究院研究員王立平團隊發現動物大腦快速防禦天敵反應的「簡單」策略，相關成果發表於BMC Biology。該研究揭示了小鼠的大腦在處理視覺線索時存在一個用於檢測天敵的「警戒範圍」，通過這種方式可以快速識別危險信號，並誘發防禦反應。助理研究員楊星、劉清晴和博士生鍾金玲為該論文的共同第一作者，王立平為通訊作者。

自然環境中充斥著各種複雜的感覺線索，動物需要基於這些線索做出判斷。一方面，它們需要快速檢測到逼近的天敵，並採取恰當的防禦行為，來確保自身的安全；另一方面，它們不能對非危險性線索，比如飛過的昆蟲做出過度反應，以免白白耗費體力並錯失獲得食物和配偶的機會。這是動物在漫長的進化過程中逐漸形成的本能，對動物的生存和繁衍至關重要。

「視覺線索是動物快速檢測危險的重要依據，此前研究常用一個逐漸擴大的陰影圓盤來模擬捕食者的攻擊，並成功誘發了小鼠的本能防禦反應。這說明視覺系統在判斷危險信號時可能會忽略掉一些細節，只基於某些關鍵視覺線索進行判斷」楊星表示。

那麼動物到底基於哪些視覺線索來判斷風險，又有哪些線索是不需要過多關注的呢？在研究過程中，研究團隊開發了基於紅外觸控螢幕的小動物行為自動監測系統。通過給小鼠設定視覺刺激，記錄小鼠在遇到視覺刺激時的反應參數。

「我們的自動檢測系統可以記錄小鼠在裝置內的行為數據，例如小鼠大小、位置以及對應的時間，根據這些數據我們可以計算小鼠逃跑的速度、僵直的時間、站立的次數等等，數據的採集和後續的計算和統計都可由程序完成，可以說我們的系統基本實現了小鼠行為數據採集和分析的自動化。」楊星表示。

研究人員通過監測系統給小鼠呈現一系列以不同速度擴大、具有不同大小的圓盤陰影，記錄並量化分析了小鼠由這些視覺刺激引發的行為反應，包括逃跑、僵直和站立等。團隊發現，小鼠對圓盤陰影的大小變化和擴大速度的檢測存在一個「警戒範圍」，即大小處於10°至40°,擴大速度在57°/s至320°/s這個範圍內的圓盤陰影更容易引發強烈的逃跑反應。

基於研究中發現的「警戒範圍」，在進一步的驗證中，研究團隊根據動物大小和來襲速度，模擬倉鴞、蜻蜓、蒼蠅等動物對小鼠的視覺刺激。

團隊發現捕食鼠類的猛禽，如黑翅鳶、倉鴞等，它們在捕食過程中的影像基本符合小鼠的「警戒範圍」，而低危險性的視覺線索，如蒼蠅、蜻蜓等昆蟲靠近的影像，則與「警戒範圍」不重合或只有很少的重合。由此推測，「警戒範圍」代表發動攻擊的捕食者所具有的共同視覺特徵。

經過系列實驗後，團隊得出小鼠檢測捕食者的策略：小鼠基於視覺線索是否處於警戒範圍來做出反應，而不是為不同的天敵「定製」特定的檢測機制，這個簡單的策略有助於小鼠快速且精準地辨識真正的危險。該研究將有助於理解大腦處理危險信號的神經機制及其進化意義。

相關論文信息：https://doi.org/10.1186/s12915-020-00825-0

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