<p><img src="https://info.compassedu.hk/sucai/content/1668953284937/1668953284937.jpg" width="808" height="538" /></p> <p>麻省理工學(xué)院和哈佛大學(xué)的一項(xiàng)新研究表明，看似簡(jiǎn)單的斑馬魚(yú)的大腦比之前認(rèn)為的要復(fù)雜得多。研究人員發(fā)現(xiàn)，斑馬魚(yú)幼蟲(chóng)可以利用視覺(jué)信息創(chuàng)建其物理環(huán)境的三維地圖，這是科學(xué)家認(rèn)為不可能實(shí)現(xiàn)的壯舉。</p> <p>&nbsp;</p> <p>在這項(xiàng)新研究中，研究人員發(fā)現(xiàn)斑馬魚(yú)可以在躲避捕食者的同時(shí)繞過(guò)環(huán)境障礙。研究人員說(shuō)，這些發(fā)現(xiàn)表明斑馬魚(yú)&ldquo;比我們想象的要聰明得多&rdquo;，可以作為一個(gè)模型來(lái)探索人類視覺(jué)感知的許多方面。</p> <p>&nbsp;</p> <p>&ldquo;這些結(jié)果表明，你可以研究動(dòng)物面臨的最基本的計(jì)算問(wèn)題之一，即在斑馬魚(yú)幼蟲(chóng)中感知環(huán)境的3D模型，&rdquo;麻省理工學(xué)院大腦和認(rèn)知科學(xué)系的首席研究科學(xué)家、這項(xiàng)新研究的作者Vikash Mansinghka說(shuō)。</p> <p>&nbsp;</p> <p>安德魯&middot;博爾頓，麻省理工學(xué)院的研究科學(xué)家和哈佛大學(xué)的研究助理，是今天發(fā)表在《當(dāng)代生物學(xué)》上的這項(xiàng)新研究的資深作者。哈佛博士后漢娜&middot;茲瓦卡(Hanna Zwaka)和最近剛從哈佛畢業(yè)、現(xiàn)為牛津大學(xué)研究生的奧利維亞&middot;麥金尼斯(Olivia McGinnis)是這篇論文的主要作者。</p> <p>&nbsp;</p> <p><strong><span class="h1">映射環(huán)境</span></strong></p> <p>&nbsp;</p> <p>自20世紀(jì)70年代以來(lái)，斑馬魚(yú)被用于研究各種人類疾病，包括癌癥、心血管疾病和糖尿病。南希&middot;霍普金斯是斑馬魚(yú)研究的早期先驅(qū)之一，她目前是麻省理工學(xué)院的生物學(xué)退休教授，她發(fā)現(xiàn)了許多與斑馬魚(yú)胚胎發(fā)育有關(guān)的基因。</p> <p>&nbsp;</p> <p>最近，科學(xué)家們開(kāi)始探索用斑馬魚(yú)作為涉及感官知覺(jué)的行模型的可能性。三年前，博爾頓領(lǐng)導(dǎo)的一項(xiàng)研究表明，斑馬魚(yú)可以根據(jù)獵物的位置和速度準(zhǔn)確預(yù)測(cè)獵物的運(yùn)動(dòng)軌跡。</p> <p>&nbsp;</p> <p>在那次研究中，博爾頓不小心掉了一個(gè)裝有斑馬魚(yú)幼蟲(chóng)的盤(pán)子，并注意到這些魚(yú)立即向四面八方散去。這讓他想，他們選擇的逃生路線完全是隨機(jī)的嗎?如果路上有障礙，會(huì)不會(huì)受到影響?</p> <p>&nbsp;</p> <p>檢測(cè)障礙物的能力需要綜合多種類型的感官輸入，并能夠利用這些信息計(jì)算出相對(duì)于自己在空間中的位置的障礙物位置。人類和許多其他動(dòng)物都能做到這一點(diǎn)，但人們認(rèn)為，像斑馬魚(yú)這樣的簡(jiǎn)單生物無(wú)法做到這一點(diǎn)。</p> <p>&nbsp;</p> <p>相反，許多神經(jīng)科學(xué)家認(rèn)為，斑馬魚(yú)的視覺(jué)感知與簡(jiǎn)單的線蟲(chóng)等生物的視覺(jué)感知相似。在這些蠕蟲(chóng)中，光敏細(xì)胞檢測(cè)到的光線會(huì)觸發(fā)反射反應(yīng)，比如靠近或遠(yuǎn)離光線。</p> <p>&nbsp;</p> <p>為了探索斑馬魚(yú)是否可以對(duì)其3D環(huán)境產(chǎn)生心理表征的問(wèn)題，博爾頓創(chuàng)建了一個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置，在這個(gè)裝置中，斑馬魚(yú)需要試圖避開(kāi)阻礙它們可能逃跑路徑的障礙。這些實(shí)驗(yàn)是在哈佛大學(xué)分子和細(xì)胞生物學(xué)教授弗洛里安&middot;恩格爾特(Florian Engert)的實(shí)驗(yàn)室完成的，他也是這項(xiàng)研究的作者之一。</p> <p>&nbsp;</p> <p>每條魚(yú)都被放在一個(gè)直徑約12厘米的圓盤(pán)中，在那里它們可以自由游動(dòng)。當(dāng)一根金屬棒掉在盤(pán)子上，發(fā)出一聲巨響，魚(yú)就會(huì)立刻逃跑。研究人員首先表明，如果沒(méi)有障礙物存在，魚(yú)會(huì)隨機(jī)選擇左邊或右邊作為逃跑路徑。</p> <p>&nbsp;</p> <p>然后，研究人員放置了一個(gè)12毫米的塑料屏障，阻止其中一條逃生路線。研究人員發(fā)現(xiàn)，當(dāng)障礙物到位時(shí)，魚(yú)幾乎總是選擇向沒(méi)有障礙物的方向逃跑，只要有足夠的光讓它們看到。此外，當(dāng)障礙物離得更近時(shí)，魚(yú)更有可能試圖避開(kāi)障礙物，這表明它們也能夠計(jì)算到障礙物的距離。</p> <p>&nbsp;</p> <p>斑馬魚(yú)的快速反應(yīng)時(shí)間約為10毫秒，這表明它們必須在聽(tīng)到聲音之前&ldquo;預(yù)先計(jì)算&rdquo;出屏障位置的地圖。斑馬魚(yú)將視覺(jué)信息從視網(wǎng)膜傳導(dǎo)到大腦大約需要60毫秒，這就排除了它們?cè)诼?tīng)到巨響后檢查障礙物的可能性。</p> <p>&nbsp;</p> <p>博爾頓說(shuō):&ldquo;他們無(wú)法實(shí)時(shí)繪制地圖，因?yàn)樘优芟鄬?duì)于點(diǎn)擊速度太快了。&rdquo;&ldquo;它們需要提前繪制環(huán)境地圖，以防捕食者或模仿捕食者的東西出現(xiàn)。&rdquo;</p> <p>&nbsp;</p> <p><strong><span class="h1">模擬大腦</span></strong></p> <p>&nbsp;</p> <p>這種預(yù)映射行為已經(jīng)在嚙齒類動(dòng)物和其他哺乳動(dòng)物中發(fā)現(xiàn)過(guò)，但在更簡(jiǎn)單的脊椎動(dòng)物中沒(méi)有。在斑馬魚(yú)身上的發(fā)現(xiàn)為探索大腦如何創(chuàng)建世界模型的問(wèn)題開(kāi)辟了一條新途徑，霍華德休斯醫(yī)學(xué)研究所詹尼利亞研究校區(qū)的高級(jí)小組負(fù)責(zé)人米沙&middot;艾倫斯說(shuō)。</p> <p>&nbsp;</p> <p>&ldquo;這項(xiàng)工作完美地展示了一個(gè)看起來(lái)簡(jiǎn)單的小動(dòng)物如何擁有非凡的行為和計(jì)算能力。它們不僅僅是輸入輸出機(jī)器;相反，他們擁有一種我們看不到的周?chē)澜绲哪Ｐ?，直到我們用精心設(shè)計(jì)的觸發(fā)器仔細(xì)探索這些內(nèi)部模型，&rdquo;沒(méi)有參與這項(xiàng)研究的Ahrens說(shuō)。</p> <p>&nbsp;</p> <p>因?yàn)榘唏R魚(yú)的大腦比哺乳動(dòng)物的大腦更小更簡(jiǎn)單，所以它更容易成像和操作，甚至可以精確到單個(gè)神經(jīng)元的水平。先前的研究人員發(fā)現(xiàn)了一對(duì)被稱為毛氏神經(jīng)元的神經(jīng)元，它們似乎調(diào)節(jié)了斑馬魚(yú)對(duì)聲音的反應(yīng)。本研究的神經(jīng)回路實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，視障的視覺(jué)輸入刺激了誘導(dǎo)逃逸的毛氏神經(jīng)元。</p> <p>&nbsp;</p> <p>研究人員現(xiàn)在計(jì)劃探索斑馬魚(yú)大腦的哪一部分編碼了深度感知的表征。神經(jīng)科學(xué)家已經(jīng)很清楚哺乳動(dòng)物的大腦是如何以及在哪里映射二維空間的(在上丘，它類似于斑馬魚(yú)大腦中被稱為光學(xué)頂蓋的區(qū)域)，但第三維度的深度是如何添加的還不太清楚。</p> <p>Mansinghka說(shuō):&ldquo;例如，如果我們?cè)诎唏R魚(yú)幼蟲(chóng)的光學(xué)頂蓋中找到3D表示，這將是一個(gè)指南，它可能在上丘或哺乳動(dòng)物的視覺(jué)通路，包括人類。&rdquo;Mansinghka領(lǐng)導(dǎo)著大腦和認(rèn)知科學(xué)系的概率計(jì)算項(xiàng)目，并在麻省理工學(xué)院的計(jì)算機(jī)科學(xué)和人工智能實(shí)驗(yàn)室擔(dān)任雙重職務(wù)。</p> <p>&nbsp;</p> <p>Mansinghka還希望新的發(fā)現(xiàn)能幫助說(shuō)服一些認(rèn)知和系統(tǒng)神經(jīng)科學(xué)家，他們認(rèn)為斑馬魚(yú)太簡(jiǎn)單了，無(wú)法達(dá)到他們的目的，把斑馬魚(yú)作為一個(gè)模型，有潛力整合科學(xué)家現(xiàn)在用來(lái)研究大腦的許多不同方法。</p> <p>&nbsp;</p> <p>他說(shuō):&ldquo;從歷史上看，在研究細(xì)胞的人、研究腦回路的人、研究成像的人、研究行為的人、研究認(rèn)知的人以及研究計(jì)算的人之間有很多分歧。&rdquo;&ldquo;很難同時(shí)解決所有這些層面的綜合研究，但我們可能已經(jīng)證明，有一種生物可以用于研究許多不同層面的感知計(jì)算，并將其與底層神經(jīng)元連接起來(lái)。&rdquo;</p> <p>&nbsp;</p> <p>這項(xiàng)研究由美國(guó)國(guó)立衛(wèi)生研究院資助。</p> <p>&nbsp;</p> <blockquote> <p>注：本文由院校官方新聞直譯，僅供參考，不代表指南者留學(xué)態(tài)度觀點(diǎn)。</p> </blockquote>