【中國科學報】失重環境下，你還能認出它嗎？

“天地實驗”提供有力證據

　　5月29日，神舟十四號船箭組合體轉運至發射區，按計劃將有3名航天員搭乘飛船飛往中國空間站，將在軌駐留6個月時間。

　　現在，中國航天員太空“出差”的日常生活通過各種報道已為大眾所了解。但是，他們肩負的科學實驗任務對于公眾來說仍很神秘。

　　《中國科學報》近日獲悉，此前，6位中國航天員在太空親身參與了一項認知科學研究。這項研究由腦與認知科學國家重點實驗室、中國科學院心理研究所（以下簡稱心理所）蔣毅研究團隊與中國航天員科研訓練中心人因工程國家級重點實驗室陳善廣研究團隊合作，通過“天地實驗”，揭示了地球重力環境在塑造人類視知覺功能中的關鍵作用。相關論文近期發表于《自然—通訊》。

　　這篇論文為了解中國航天員的科研使命打開了一個小窗口。

　　該論文第一作者、心理所副研究員王瑩告訴《中國科學報》，這次的實驗過程讓她和同事心潮澎湃。“正是由于我國載人航天工程取得長足進步，我們科研工作者才能獲得寶貴的數據。”

　　“航天員在太空任務繁重，完成科學實驗對他們而言是不小的挑戰。”王瑩向《中國科學報》介紹此次“天地”結合的實驗時說，“而參與地面頭低位臥床模擬失重實驗的志愿者則克服了種種生理上的不適，全部堅持到了最后，他們是航天事業、科學事業的‘無名英雄’。”

　　倒立過來就“蒙圈”？

　　想要知道最新發表的這篇論文中航天員作出了怎樣的貢獻，需要從心理學領域的概念“生物運動知覺”說起。

　　人類有一些“超能力”，比如能從走路姿勢中辨認出熟人，或者瞬間認出奔跑的小貓小狗。心理學家把人類敏感捕捉這些視覺運動信息的能力叫做“生物運動知覺”。

　　人類對生物運動信息的知覺敏感性究竟從何而來？這一問題一直以來吸引著科學家。為了開展科學研究，科學家于20世紀70年代發展出“光點生物運動”動畫，即把發光的小球貼在人的關節部位，讓這些人在黑暗中做動作，并記錄下光點的位置，制作出一些運動著的“光點小人”。

　　王瑩介紹，心理學實驗中，科學家會要求作為被試的志愿者觀看若干個這樣的動畫，識別不同動畫的動作，或辨別動畫中人物的朝向、性別、情緒等信息。“最后，科學家會根據被試者識別光點動畫的正確率，判斷他們生物運動感知的水平。”

　　如今，“光點生物運動”已經成為這一領域的經典研究材料。在眾多關注“生物運動知覺”的心理學實驗中，科學家曾發現，把光點生物運動的動畫倒過來呈現給被試者，他們對其的感知就會顯著變差。這意味著，人對生物運動的知覺敏感性是特異于正立朝向的。

　　換言之，倒立著蹦跳，就不認識了。那是為什么呢？一種假設指向了地球上無處不在的重力——人類對符合重力作用的生物運動具有特殊的敏感性，“倒立”著運動不符合重力作用的影響，自然就更難辨認。

　　只對符合重力作用的生物運動敏感，有助于人在地球環境中更有效地探測生命體的存在，具有進化意義。這種敏感性與生俱來，研究者猜測，它可能是人在進化過程中適應地球重力環境的產物。

　　到底是不是因為重力、這種現象多大程度上依賴于我們身處的地球重力環境、能不能找到神經活動上的依據、工作機制是什么，這些問題長期以來困擾著心理學家。

　　失重一周后，啥情況？

　　最新發表的論文中，科學家在中國航天員科研訓練中心的大力支持下，獲得了中國航天員在軌“生物運動知覺”的實驗數據。在每次測試中，航天員需要觀看若干個短暫呈現的光點動畫，辨別其中包含的正立或者倒立小人的行走方向。

　　數據表明，航天員在太空失重環境中待了大約一周之后，對正、倒立光點生物運動的感知差異明顯減少了。也就是說，他們在失重環境中對小人行走方向的感知較少受動畫倒立影響。

　　而且，參加實驗的每一位航天員都具有這一趨勢。這提示，地球重力環境對于維持人類對生物運動信息的“朝向特異敏感性”至關重要。

　　這一結論正好“實錘”了此前的假設。

　　在此之前，國際上利用航天員數據主要揭示了失重如何影響肌肉、骨骼、心血管等生理系統，而失重對人類認知加工及腦功能的影響研究，則還有很大空白。

　　要確認航天實驗的結論，讓論證更加充分、完善，還需要排除一些可能的因素，例如航天實驗環境和練習效應。為此，研究人員在地面開展了兩個控制實驗。

　　結果發現，在正常的地球重力條件下，無論是在模擬航天任務的幽閉環境中還是在實驗室中進行測試，被試者都沒有表現出對生物運動感知“朝向特異敏感性”的降低，從而支持了航天實驗得到的結果主要來自于失重的影響的觀點。

　　“頭低腳高”，大腦有什么變化？

　　為驗證航天實驗的發現，科研人員在地面采用-6°頭低位臥床方法開展了模擬失重實驗。作為被試的志愿者以頭低腳高的“傾斜躺平”姿勢進行45天的實驗，其間人體的體液會向頭和胸部轉移，腿部骨骼肌肉相應減少了活動和刺激，這與航天員在太空因失重而出現的身體變化很接近。

　　據了解，在認知和腦科學方面，近期有研究證實，頭低位臥床可以誘發類似失重狀態下前庭響應的改變。

　　實驗同樣以“光點生物運動知覺”的方法展開。研究人員看到，隨著實驗時間的推移，志愿者生物運動知覺倒置效應逐漸減弱，最終降至顯著低于前測的水平，顯示出和航天實驗類似的趨勢。

　　為進一步探究模擬失重帶來的生物運動知覺變化背后的神經機制，研究人員利用功能磁共振成像技術掃描了志愿者的神經活動。在排除其他因素之后，他們鎖定了大腦中特異于生物運動加工的“pSTS腦區”和前庭系統的核心腦區后腦島。

　　一系列實驗結果最終表明，正是前庭的重力計算參與了視覺生物運動信息朝向特異性加工。改變身體接受的重力刺激將通過影響前庭重力估計，重塑視覺生物運動知覺敏感性。

　　在我國太空實驗室即將建成之際，科研團隊期待，未來能獲得更多的航天實驗數據，繼續開展包含重力線索的視覺運動感知研究，進一步探究不同重力條件下人腦的可塑性，為未來人類探索深空、踏上登月之旅提供幫助。

　　該論文第一作者為中科院心理所副研究員、中科院青年創新促進會會員王瑩，通訊作者為中科院心理所研究員、腦與認知科學國家重點實驗室副主任蔣毅和中國載人航天工程副總設計師、中國航天員科研訓練中心人因工程國家級重點實驗室主任陳善廣。(來源：中國科學報 甘曉）

　　相關論文信息：https://doi.org/10.1038/s41467-022-30347-y

　　原文鏈接：https://news.sciencenet.cn/htmlpaper/2022/5/20225311336866673165.shtm