文/上海紐約大學(xué) 編輯/清風(fēng)

想象一下你乘飛船遨游于太空，成千上萬顆星體從你身邊掠過。此時，你的大腦如何感知飛船行進(jìn)的方向？在近期發(fā)表于美國神經(jīng)科學(xué)學(xué)會官方會刊《神經(jīng)科學(xué)雜志》（The Journal of Neuroscience）的一篇文章中，上海紐約大學(xué)神經(jīng)科學(xué)和心理學(xué)教授、華東師范大學(xué)-紐約大學(xué)腦與認(rèn)知科學(xué)聯(lián)合研究中心（上海紐約大學(xué)）成員李黎對此問題進(jìn)行了研究。在題為《整合運動和形狀線索以感知人類行進(jìn)方向的腦區(qū)》（Integration of Motion and Form Cues for the Perception of Self-Motion in the Human Brain）的文章中，李黎教授研究團(tuán)隊發(fā)現(xiàn)了人類大腦中可以整合運動和形狀信息以感知行進(jìn)方向的腦區(qū)。該項研究的合作者還包括華東師范大學(xué)心理與認(rèn)知科學(xué)學(xué)院研究員、同為華東師范大學(xué)-紐約大學(xué)腦與認(rèn)知科學(xué)聯(lián)合研究中心（上海紐約大學(xué)）成員的蒯曙光博士及其研究團(tuán)隊。

▲ 模擬遨游太空的場景

“準(zhǔn)確感知并控制自身的運動對于人類生存的意義十分重大?！崩罾杞淌谡f道，“高速移動時，快速經(jīng)過的物體會在我們的眼中形成呈放射狀發(fā)散的運動圖像。這些運動圖像中包含的信息對我們感知和控制自身運動來說至關(guān)重要。了解這些信息和相關(guān)神經(jīng)機(jī)制有助于設(shè)計仿生機(jī)器人，治療神經(jīng)退行性運動障礙?！?/p>

神經(jīng)科學(xué)界主流理論認(rèn)為，運動信息（與運動相關(guān)的動態(tài)視覺信息）和形狀信息（從周圍環(huán)境獲取的靜態(tài)視覺信息）在大腦中沿著不同的視覺通路進(jìn)行處理。但也有研究對這一理論發(fā)起挑戰(zhàn)。例如，在早期研究中，李黎教授團(tuán)隊發(fā)現(xiàn)，人們同時使用形狀信息和運動信息決定行進(jìn)方向。基于這些發(fā)現(xiàn)，李黎教授和研究助理山周魁東，以及博士后研究員陳靜，試圖找到大腦整合這兩種信息的腦區(qū)。

▲ 圖片展示了運動發(fā)散中心（用紅色 + 標(biāo)示）可以如何區(qū)別于視頻同一幀的形狀發(fā)散中心（用藍(lán)色 x 標(biāo)示）

研究中，李黎教授團(tuán)隊設(shè)計了短視頻作為視覺刺激，用成對散點的放射狀運動，模擬人向前移動時所看到的景象。每個視頻都包含兩個中心：成對散點通過向外的放射性運動，形成運動發(fā)散中心；每一對點連線的朝向，形成形狀發(fā)散中心。這兩個中心的位置可以相同，也可以不同。

李黎教授團(tuán)隊使用了功能磁共振成像技術(shù)，拍攝并分析了受試者觀看視頻時腦部的高清圖像，識別出對運動信息和形狀信息作出反應(yīng)的腦區(qū)。

首先，研究將運動發(fā)散中心固定于視頻中央，同時讓形狀發(fā)散中心由左向右移動。在這一組刺激下，研究者發(fā)現(xiàn)初級視皮層和高級視皮層對形狀發(fā)散中心的移動進(jìn)行了編碼，表明這些腦區(qū)處理形狀信息。

▲ 運動發(fā)散中心固定在中央，形狀發(fā)散中心由左向右移動

▲ 對形狀信息做出反應(yīng)的腦區(qū)

接著，研究者變動了運動發(fā)散中心和形狀發(fā)散中心的位置，使兩個中心重合或不重合。中心重合的視頻使受試者感知到不同的行進(jìn)方向，而中心不重合的視頻則引起相同行進(jìn)方向的感知。研究者發(fā)現(xiàn)，V3B/KO腦區(qū)根據(jù)感知而非兩個中心的移動作出反應(yīng)，符合該腦區(qū)整合了運動和形狀信息以對行進(jìn)方向進(jìn)行綜合感知的假設(shè)。之后，李黎教授團(tuán)隊使用隨機(jī)打散運動信息或形狀信息的刺激重復(fù)了實驗，證實了V3B/KO腦區(qū)是對整體而非局部信息作出反應(yīng)。

▲ 運動發(fā)散中心和形狀發(fā)散中心重合及不重合的刺激

該研究的發(fā)現(xiàn)有許多實用價值。比如，了解人類整合不同視覺信息感知行進(jìn)方向的神經(jīng)機(jī)制，有助于全自動駕駛汽車和仿生機(jī)器人的研發(fā)和設(shè)計。同時，該發(fā)現(xiàn)也可用于理解和治療神經(jīng)退行性運動障礙。李黎教授解釋道：“如果患者大腦某些區(qū)域——譬如V3B/KO腦區(qū)——發(fā)生病變，我們就能預(yù)測該疾病對患者自身運動的感知和控制產(chǎn)生怎樣的影響?！?/p>

雖然研究結(jié)果意義重大，但定位V3B/KO腦區(qū)并不是研究的終點。李黎教授團(tuán)隊將繼續(xù)探究人類行走、駕駛時使用的有效視覺、非視覺信息和策略，以及相關(guān)神經(jīng)機(jī)制?！斑@個領(lǐng)域仍然有很多問題亟待解決?！崩罱淌谡f，“我們希望能為這個領(lǐng)域的發(fā)展做出重大貢獻(xiàn)?！?/p>