動(dòng)物大腦快速防御反應(yīng)存在“簡單”策略

在復(fù)雜多變的自然環(huán)境中，大腦如何“快速”“簡潔”“精準(zhǔn)”地判斷天敵信號，產(chǎn)生快速且合適的防御反應(yīng)是物種得以生存與繁衍的重要前提。

8月12日，記者從中國科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院獲悉，該院王立平團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)動(dòng)物大腦快速防御天敵反應(yīng)的“簡單”策略，相關(guān)成果發(fā)表于BMC Biology期刊。該研究揭示了小鼠的大腦在處理視覺線索時(shí)存在一個(gè)用于檢測天敵的“警戒范圍”，通過這種方式可以快速識別危險(xiǎn)信號，并誘發(fā)防御反應(yīng)。助理研究員楊星、劉清晴和博士生鐘金玲為該論文的共同第一作者，王立平研究員為通訊作者。

自然環(huán)境中充斥著各種復(fù)雜的感覺線索，動(dòng)物需要基于這些線索做出判斷。一方面，它們需要快速檢測到逼近的天敵，并采取恰當(dāng)?shù)姆烙袨椋瑏泶_保自身的安全;另一方面，它們不能對非危險(xiǎn)性線索，比如飛過的昆蟲做出過度反應(yīng)，以免白白耗費(fèi)體力并錯(cuò)失獲得食物和配偶的機(jī)會(huì)。這是動(dòng)物在漫長的進(jìn)化過程中逐漸形成的本能，對動(dòng)物的生存和繁衍至關(guān)重要。

“視覺線索是動(dòng)物快速檢測危險(xiǎn)的重要依據(jù)，此前研究常用一個(gè)逐漸擴(kuò)大的陰影圓盤來模擬捕食者的攻擊，并成功誘發(fā)了小鼠的本能防御反應(yīng)。這說明視覺系統(tǒng)在判斷危險(xiǎn)信號時(shí)可能會(huì)忽略掉一些細(xì)節(jié)，只基于某些關(guān)鍵視覺線索進(jìn)行判斷。”楊星表示。

那么動(dòng)物到底基于哪些視覺線索來判斷風(fēng)險(xiǎn)，又有哪些線索是不需要過多關(guān)注的呢?在研究過程中，研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)了基于紅外觸摸屏的小動(dòng)物行為自動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)。通過給小鼠設(shè)定視覺刺激，記錄小鼠在遇到視覺刺激時(shí)的反應(yīng)參數(shù)。

“我們的自動(dòng)檢測系統(tǒng)可以記錄小鼠在裝置內(nèi)的行為數(shù)據(jù)，例如小鼠大小、位置以及對應(yīng)的時(shí)間，根據(jù)這些數(shù)據(jù)我們可以計(jì)算小鼠逃跑的速度、僵直的時(shí)間、站立的次數(shù)等等，數(shù)據(jù)的采集和后續(xù)的計(jì)算和統(tǒng)計(jì)都可由程序完成，可以說我們的系統(tǒng)基本實(shí)現(xiàn)了小鼠行為數(shù)據(jù)采集和分析的自動(dòng)化。”楊星表示。

研究人員通過監(jiān)測系統(tǒng)給小鼠呈現(xiàn)一系列以不同速度擴(kuò)大、具有不同大小的圓盤陰影，記錄并量化分析了小鼠由這些視覺刺激引發(fā)的行為反應(yīng)，包括逃跑、僵直和站立等。團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，小鼠對圓盤陰影的大小變化和擴(kuò)大速度的檢測存在一個(gè)“警戒范圍”，即大小處于10°至40°，擴(kuò)大速度在57°/s至320°/s這個(gè)范圍內(nèi)的圓盤陰影更容易引發(fā)強(qiáng)烈的逃跑反應(yīng)。

基于研究中發(fā)現(xiàn)的“警戒范圍”，在進(jìn)一步的驗(yàn)證中，研究團(tuán)隊(duì)根據(jù)動(dòng)物大小和來襲速度，模擬倉鸮、蜻蜓、蒼蠅等動(dòng)物對小鼠的視覺刺激。

團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)捕食鼠類的猛禽，如黑翅鳶、倉鸮等，它們在捕食過程中的影像基本符合小鼠的“警戒范圍”，而低危險(xiǎn)性的視覺線索，如蒼蠅、蜻蜓等昆蟲靠近的影像，則與“警戒范圍”不重合或只有很少的重合。由此推測，“警戒范圍”代表發(fā)動(dòng)攻擊的捕食者所具有的共同視覺特征。

經(jīng)過系列實(shí)驗(yàn)后，團(tuán)隊(duì)得出小鼠檢測捕食者的策略：小鼠基于視覺線索是否處于警戒范圍來做出反應(yīng)，而不是為不同的天敵“定制”特定的檢測機(jī)制，這個(gè)簡單的策略有助于小鼠快速且精準(zhǔn)地辨識真正的危險(xiǎn)。該研究將有助于理解大腦處理危險(xiǎn)信號的神經(jīng)機(jī)制及其進(jìn)化意義。(記者 劉傳書 通訊員 刁雯蕙)