最小靈長類揭示數千萬年視覺進化—新聞—科學網

2021-01-15 科學網

 

大腦樣本對比圖

鼠狐猴        圖片來源：Daniel Huber/ University of Geneva

靈長類動物在眼前便能處理視覺信息，這有點類似於數位相機處理像素。

為了理解人類視覺能力的起源，瑞士日內瓦大學科學家，聯合德國馬普學會和法國國家自然歷史博物館等機構合作者，調查了這些計算單位能否跨越靈長類動物之間巨大的尺寸差異。

研究人員比較了鼠狐猴和其他靈長類動物的視覺系統，發現這些視覺處理單元的大小在所有靈長類動物中是相同的，與它們的體型無關。相關論文近日刊登於《當代生物學》。

「所有靈長類動物在視覺系統中共享相同大小和組織的處理模塊，這表明這些模塊很可能出現在早期和某個特定的時刻（破壞性創新），而不非隨著時間的推移而逐漸進化。」該研究通訊作者、日內瓦大學基礎神經科學系教授Daniel Huber在接受《中國科學報》採訪時表示。

最小靈長類動物

視覺在演化史上是一個重要主題，但是除了節肢動物化石中鈣化的晶狀體以外，視覺系統中的其他部分通常很難在化石記錄中保存下來，因為眼睛和大腦的軟組織在死亡後分解得很快。

之前，英國布裡斯託大學科研人員提出了一條時間線，指出所有動物群的一個擁有視蛋白的共同祖先出現在大約7億年前。不過，最初這種視蛋白被認為是「盲」的，然而在接下來的千萬年裡，視蛋白經歷了關鍵的遺傳變化，有了探測光的能力。

隨著演化，生命越來越複雜的同時，視覺系統也在不斷發展。為了更好地觀察周圍的世界，靈長類動物使用複雜的眼球運動集中視覺；鳥類、昆蟲和嚙齒類動物則通過移動頭部來做同樣的事情。

一個多世紀以來，人們對靈長類動物的視覺系統進行了深入研究。這些研究發現，與嚙齒類動物等其他哺乳動物不同，視覺信息是由位於視覺皮質的專用小型計算單元處理的。

由於不同靈長類物種有不同的體型，人們不禁想知道這個基本的計算單元是否隨著身體亦或是大腦的大小而變化。例如，在灰鼠狐猴身上，它是簡化了還是縮小了呢?

來自馬達加斯加的灰鼠狐猴最小靈長類動物的一種，體重僅為60克。鼠狐猴是一種非常特殊的物種，和最早進化於5500萬年前的靈長類動物有很多相同的特徵。

「我們選擇鼠狐猴有兩個原因。首先，它是世界上最小的靈長類動物之一，因此，如果大腦迴路的小型化或簡化發生在體型更小的物種中，那應該在鼠狐猴的大腦中十分明顯。」Huber說，「其次，鼠狐猴被認為是早期靈長類動物的『典範』，因為它與我們最早的祖先有許多共同的特徵，例如小體型、棲息地、食物來源和樹棲生活方式等。」

不要介意大小

為了弄清視覺和體型的關係，研究人員使用光學腦成像技術研究了鼠狐猴的視覺系統。研究人員將代表不同方向的幾何圖形呈現給鼠狐猴，並將神經元對視覺刺激做出反應的活動進行了成像。

經過反覆測量，研究人員能夠確定處理表單信息的最小單元的大小。「我們期望看到一個微小的單位，與鼠狐猴的小體型成比例，但我們的數據顯示，它們的測量直徑超過0.5毫米。」Huber說。

在與馬普學會研究人員的合作中，Huber將鼠狐猴大腦中的數百個單元圖像與其他更大的靈長類動物視覺迴路的數據進行了比較。研究小組有了一個驚人的發現：60克的鼠狐猴、7公斤的獼猴，甚至更大的靈長類動物（如人類），這些視覺處理基本單元大小几乎相同。

研究人員表示，結果表明，從最大的到最小的靈長類動物，視覺系統的基本模塊都沒有發生微型化演變。這表明，人們的視覺系統得到了令人難以置信的保存，並揭示了視覺在從遠古祖先到現在人類的日常生活中的重要性。

此外，這些視覺處理單元在大腦中的排列方式是完全相同的，遵循著同樣的數學規則。研究人員還發現，到目前為止，所有被研究的靈長類動物的每個視覺單元的神經細胞數量幾乎是相同的。

十年前，馬普學會動力學和自組織研究所物理學家Fred Wolf就曾指出，視覺系統的進化可能會受到普遍數學原理的支配，但他至今仍對這種不變性感到驚訝。他告訴記者：「5500萬年的大陸分離帶來了一個非常漫長的進化過程。我本以為在這些神經模塊中，物種之間會有一些共性和特徵差異。但事實是，幾乎不可能把它們區分開來。」

視覺迴路是「超人」

「對抗住」數千萬年的演化、不懼宿主體型大小，也許靈長類動物擁有的視覺迴路比之前人們想像得要強大得多。這些強大且沒有出現壓縮的迴路堪比「超人」。

研究人員表示，這些結果為了解靈長類視覺的起源提供了深刻的見解。首先，這些視覺處理單元被保存得如此完好，說明其很可能在靈長類歷史的早期就已經進化，這表明在視覺的形成方面，我們的靈長類祖先從一開始就擁有與我們相似的視覺能力。

另外值得注意的是，這部分視覺系統不能被壓縮或縮小。因此，「看」這一過程似乎需要一定數量的神經元來確保其最佳功能。

因此，研究人員表示，對於視力極佳的小型靈長類物種來說，比如鼠狐猴，視覺系統相對於它們整個大腦的大小來說必須相對較大，才能容納足夠數量的視覺處理單元。事實上，鼠狐猴超過1/5的大腦皮層用於視覺處理。相比之下，與視覺相關的神經迴路僅佔人腦的3%。

當然，這並不意味著靈長類的整個視覺系統都是一成不變的。之前，一項研究對波多黎各聖地牙哥島80多隻不同恆河猴食用30種樹上的果實進行了2萬多次單獨觀察。研究人員發現，一些靈長類動物的眼睛擁有3個不同種類的光敏視錐細胞，而不是兩個。擁有三色彩感覺的雌猴比擁有兩色彩感覺的雌猴能更快地找到果子。而靈長類動物產生這種三色彩感覺是因為它讓人類的早期祖先能更容易地看到綠色森林海洋中色彩鮮豔的成熟果實。

另一方面，除了揭秘視覺的數千萬年進化，這項研究還強調了保護鼠狐猴等靈長類動物棲息地的重要性，尤其是在馬達加斯加的森林中。「這些棲息地正在以驚人的速度消失，同時也帶走了了解人類起源的寶貴鑰匙。」Huber說。

相關論文信息：http://dx.doi.org/10.1016/j.cub.2020.11.027

 

 

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