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(wàn)顆星體從你身邊掠過(guò)。此時(shí)，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(guó)神經(jīng)科學(xué)學(xué)會(huì)官方會(huì)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(duì)此問(wèn)題進(jìn)行了研究。在題為《整合運(yùn)動(dòng)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(duì)發(fā)現(xiàn)了人類大腦中可以整合運(yùn)動(dòng)和形狀信息以感知行進(jìn)方向的腦區(qū)。該項(xiàng)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(duì)。

▲ 模擬遨游太空的場(chǎng)景

“準(zhǔn)確感知并控制自身的運(yùn)動(dòng)對(duì)于人類生存的意義十分重大?！崩罾杞淌谡f(shuō)道，“高速移動(dòng)時(shí)，快速經(jīng)過(guò)的物體會(huì)在我們的眼中形成呈放射狀發(fā)散的運(yùn)動(dòng)圖像。這些運(yùn)動(dòng)圖像中包含的信息對(duì)我們感知和控制自身運(yùn)動(dòng)來(lái)說(shuō)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(jì)仿生機(jī)器人，治療神經(jīng)退行性運(yùn)動(dòng)障礙?！?/p>

神經(jīng)科學(xué)界主流理論認(rèn)為，運(yùn)動(dòng)信息（與運(yùn)動(dòng)相關(guān)的動(dòng)態(tài)視覺(jué)信息）和形狀信息（從周圍環(huán)境獲取的靜態(tài)視覺(jué)信息）在大腦中沿著不同的視覺(jué)通路進(jìn)行處理。但也有研究對(duì)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(duì)發(fā)現(xiàn)，人們同時(shí)使用形狀信息和運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)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(duì)設(shè)計(jì)了短視頻作為視覺(jué)刺激，用成對(duì)散點(diǎn)的放射狀運(yùn)動(dòng)，模擬人向前移動(dòng)時(shí)所看到的景象。每個(gè)視頻都包含兩個(gè)中心：成對(duì)散點(diǎn)通過(guò)向外的放射性運(yùn)動(dòng)，形成運(yùn)動(dòng)發(fā)散中心；每一對(duì)點(diǎn)連線的朝向，形成形狀發(fā)散中心。這兩個(gè)中心的位置可以相同，也可以不同。

李黎教授團(tuán)隊(duì)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(shí)腦部的高清圖像，識(shí)別出對(duì)運(yùn)動(dòng)信息和形狀信息作出反應(yīng)的腦區(qū)。

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

▲ 運(yùn)動(dòng)發(fā)散中心固定在中央，形狀發(fā)散中心由左向右移動(dòng)

▲ 對(duì)形狀信息做出反應(yīng)的腦區(qū)

接著，研究者變動(dòng)了運(yùn)動(dòng)發(fā)散中心和形狀發(fā)散中心的位置，使兩個(gè)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(gè)中心的移動(dòng)作出反應(yīng)，符合該腦區(qū)整合了運(yùn)動(dòng)和形狀信息以對(duì)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(duì)使用隨機(jī)打散運(yùn)動(dòng)信息或形狀信息的刺激重復(fù)了實(shí)驗(yàn)，證實(shí)了V3B/KO腦區(qū)是對(duì)整體而非局部信息作出反應(yīng)。

▲ 運(yùn)動(dòng)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(shí)用價(jià)值。比如，了解人類整合不同視覺(jué)信息感知行進(jìn)方向的神經(jīng)機(jī)制，有助于全自動(dòng)駕駛汽車和仿生機(jī)器人的研發(fā)和設(shè)計(jì)。同時(shí)，該發(fā)現(xiàn)也可用于理解和治療神經(jīng)退行性運(yùn)動(dòng)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(cè)該疾病對(duì)患者自身運(yùn)動(dòng)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(diǎn)。李黎教授團(tuán)隊(duì)將繼續(xù)探究人類行走、駕駛時(shí)使用的有效視覺(jué)、非視覺(jué)信息和策略，以及相關(guān)神經(jīng)機(jī)制?！斑@個(gè)領(lǐng)域仍然有很多問(wèn)題亟待解決?！崩罱淌谡f(shuō)，“我們希望能為這個(gè)領(lǐng)域的發(fā)展做出重大貢獻(xiàn)?！?/p>