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大脑如何判断危险信号科学家发现“警戒范围”

2020-08-25 09:47:06 整理发布   转载来源:中国青年报  

在复杂多变的自然环境中,大脑如何快速、简洁、精准地判断天敌信号,并第一时间产生合适的防御反应,是物种得以生存与繁衍的重要前提,也是科学家长期致力于破解的谜题。 中国科学院深圳先进技术研究院研究员王立平团队近日在“动物大脑快速防御天敌反应的简单策略”方面有了最新发现,相关成果发表于国际学术期刊《BMC生物学》(BMC Biology)...《大脑如何判断危险信号科学家发现“警戒范围”

在复杂多变的自然环境中,大脑如何快速、简洁、精准地判断天敌信号,并第一时间产生合适的防御反应,是物种得以生存与繁衍的重要前提,也是科学家长期致力于破解的谜题。

中国科学院深圳先进技术研究院研究员王立平团队近日在“动物大脑快速防御天敌反应的简单策略”方面有了最新发现,相关成果发表于国际学术期刊《BMC生物学》(BMC Biology)。该研究揭示了小鼠的大脑在处理视觉线索时,存在一个用于检测天敌的“警戒范围”,通过这种方式可以快速识别危险信号,并诱发防御反应。助理研究员杨星、刘清晴和博士生钟金玲为该论文的共同第一作者,王立平研究员为通讯作者。

杨星说,自然环境中充斥着各种复杂的感觉线索,动物需要基于这些线索作出判断。一方面,它们需要快速检测到逼近的天敌,并采取恰当的防御行为,来确保自身的安全;另一方面,它们不能对非危险性线索,比如飞过的昆虫做出过度反应,以免白白耗费体力并错失获得食物和配偶的机会。这是动物在漫长的进化过程中逐渐形成的本能,对动物的生存和繁衍至关重要。

“视觉线索是动物快速检测危险的重要依据,此前研究常用一个逐渐扩大的阴影圆盘来模拟捕食者的攻击,并成功诱发了小鼠的本能防御反应。这说明,如果只基于某些关键视觉线索进行判断,可能会忽略掉一些细节。”杨星表示。

那么,动物到底基于哪些视觉线索来判断风险,又有哪些线索是不需要过多关注的呢?在研究过程中,研究团队开发了基于红外触摸屏的小动物行为自动监测系统。该系统通过给小鼠设定视觉刺激,记录小鼠在遇到视觉刺激时的反应参数。

王立平告诉记者,科研团队的自动检测系统,可以记录小鼠在装置内的行为数据,比如小鼠大小、位置以及对应的时间,根据这些数据,科研团队可以计算小鼠逃跑的速度、僵直的时间、站立的次数,等等,数据的采集和后续的计算和统计都可由程序完成,可以说这一系统基本实现了小鼠行为数据采集和分析的自动化。

研究人员通过监测系统,给小鼠呈现一系列以不同速度扩大、具有不同大小的圆盘阴影,记录并量化分析了小鼠由这些视觉刺激引发的行为反应,包括逃跑、僵直和站立等。团队发现,小鼠对圆盘阴影的大小变化和扩大速度的检测存在一个“警戒范围”,即大小处于10°至40°,扩大速度在57°每秒至320°每秒这个范围内的圆盘阴影,更容易引发强烈的逃跑反应。

王立平说,基于研究中发现的“警戒范围”,在进一步的验证中,研究团队根据动物大小和来袭速度,模拟仓鸮、蜻蜓、苍蝇等动物对小鼠的视觉刺激。

团队发现,捕食鼠类的猛禽,如黑翅鸢、仓鸮等,它们在捕食过程中的影像,基本符合小鼠的“警戒范围”,而低危险性的视觉线索,如苍蝇、蜻蜓等昆虫靠近的影像,则与“警戒范围”不重合或只有很少的重合。由此推测,“警戒范围”代表发动攻击的捕食者所具有的共同视觉特征。

经过系列实验后,团队得出小鼠检测捕食者的策略:小鼠基于视觉线索是否处于警戒范围来做出反应,而不是为不同的天敌“定制”特定的检测机制,这个简单的策略,有助于小鼠快速且精准地辨识真正的危险。王立平说,该研究将有助于理解大脑处理危险信号的神经机制及其进化意义。


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