科研進展
《自然·通訊》：心理所合作研究揭示重力環境塑造人類生物運動知覺
發布時間：2022-05-21
作者：腦與認知科學國家重點實驗室 蔣毅研究組
兩百多萬年前，人類的祖先誕生于地球，歷經漫長的演化，適應地球環境，在此繁衍生息。然而，人類探索的腳步并未停息。隨著載人航天技術的發展，人類文明正從地球走向太空，對浩瀚宇宙的探索從科幻小說走向了現實。
近年來，中國載人航天科技取得了長足進展。有朝一日，星際旅行或將成為可能。而在此之前，闡明離開地球環境對人的生理及腦認知功能的影響，進而幫助人們更好地適應太空環境，是科學家們需要解決的核心問題。在太空中，受失重影響，包括肌肉、骨骼、心血管在內的生理系統會發生顯著改變，以往研究在此方面已累積了較多成果。相比之下，失重對人類的認知加工以及腦功能產生的影響在很大程度上仍是未知。
在最近發表于Nature Communications的一項研究中，來自腦與認知科學國家重點實驗室蔣毅研究組與中國航天員科研訓練中心人因工程國家重點實驗室的科研人員展開合作，借助載人航天與-6°頭低位臥床模擬失重等技術（圖1），探究了微重力條件下人類視知覺的變化規律及其機理，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。
圖1. 研究方案示意圖（Spaceflight：航天實驗；Control：地面控制實驗；HDTBR：頭低位臥床模擬失重實驗）
該研究主要關注人類對視覺生物運動的加工。在地球上，生命體的運動受到地球重力的制約。而人類對符合重力作用的生物運動具有特殊的敏感性，表現為僅僅依靠幾個附著于運動生物關節上的光點，就能探測到生命體的存在，并從中提取與生存及社會交互相關的信息；有趣的是，當光點生物運動刺激倒置呈現，其運動模式不再符合重力作用的影響時，人們對其的感知就會顯著變差。有研究表明，上述倒置效應主要取決于生物運動中包含的重力加速度線索。這種由視覺重力線索驅動的朝向特異的知覺敏感性可能反映了生命體在地球重力環境中發展出的一種適應性機制，具有進化意義。然而，這種知覺敏感性究竟緣何而來？地球重力在其中扮演了何種角色？這些重要的科學問題一直以來未能得到很好的解答。
關于這些問題，存在兩種不同的假設。假設之一是人們對正立生物運動相對于倒立刺激的知覺優勢完全源自我們的視覺經驗，正如人們通過長期觀察學習，獲得了對正立面孔相對于倒立面孔的知覺優勢。而另一種假設則與地球重力有關，即由于我們自身始終處于地球重力場，大腦前庭系統可以利用身體接收的重力信號估計重力的方向，這種實時的計算有可能為視覺重力加速度的加工提供便利，從而塑造了視覺生物運動知覺的朝向依賴性。
該研究結果支持了后一種假設。首先，通過航天實驗，研究者發現暴露于太空失重環境約一周之后，航天員生物運動知覺的倒置效應顯著降低，且該效應在個體間具有高度的一致性（圖2a,2b），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。為了進一步檢驗上述效應是由失重還是其他非重力因素（如航天實驗環境和練習效應）引起，研究者開展了兩個控制實驗。結果發現，在正常地球重力條件下，不論個體是在模擬航天任務的幽閉環境中反復進行生物運動知覺測試，還是在實驗室中進行多次測試，都不會表現出生物運動知覺倒置效應的減弱（圖2c,2d），從而支持太空失重、而非重力無關因素決定了航天實驗的結果。
圖2. 航天實驗及地面控制實驗的流程和結果
為驗證航天實驗的發現，并探究失重帶來的生物運動知覺變化背后的神經機制，研究者開展了一個在地模擬失重實驗。實驗采用-6°頭低位臥床方法模擬航天對人的影響，該方法被證明可以誘發類似于失重狀態下的生理及前庭響應改變。45天頭低位臥床實驗產生了和航天實驗類似的行為影響，即生物運動知覺倒置效應在頭低位臥床期間逐漸減弱，并最終降至顯著低于前測的水平。與此同時，研究者還測量了面孔知覺倒置效應，發現其并不隨頭低位臥床時間增長而減弱，說明生物運動知覺的改變可能源于運動而非形狀信息加工受前庭響應改變的影響。
在頭低位臥床模擬失重前后，研究者還利用功能磁共振成像技術掃描了受試者的神經活動。在前測中，大腦中特異于生物運動加工的pSTS腦區表現出對生物運動刺激的朝向依賴性響應（神經水平的倒置效應），而該效應在后測中顯著下降，且上述改變無法由簡單運動或靜態身體形狀刺激誘發的神經響應所解釋（圖3a）。作為對照，負責面孔加工的FFA腦區在前測中表現出對面孔刺激的朝向依賴性響應，但該效應在后測中并未發生改變；此外，加工房屋刺激的PPA腦區對正倒立房屋刺激的相對響應強度也未在前后測中表現出差異。這些結果排除了頭低位臥床本身改變一般性靜態物體表征的可能性，說明模擬失重特異性地改變了生物運動信息的朝向特異性視覺加工。靜息態功能連接分析進一步發現，pSTS與腦島后部區域的功能連接在后測顯著增強；更重要的是，該連接增強幅度可預測行為水平生物運動知覺倒置效應的減少幅度（圖3b）。后腦島作為前庭系統的核心腦區，已被發現與前庭和視覺重力信息加工及內部重力模型的存儲有關，因而上述結果有力支持了前庭重力計算參與視覺生物運動信息朝向特異性加工的假說。
圖3. 頭低位臥床前后功能磁共振成像實驗結果
該研究使人們更深入地了解地球重力環境之于人類認知功能的意義：地心引力不但影響我們自身的活動，還通過施加于身體的重力信號影響我們對包含重力加速度線索的其他生命體運動的加工，從而塑造了人腦對符合地球重力作用的視覺生物運動特異的敏感性。在機制方面，上述過程可能有賴于大腦對前庭（自身）及視覺系統（他人）傳遞的重力信號的整合及利用。在地球環境中，這種整合機制有助于人類有效地探測和知覺地球上的生命體。而當擺脫地心引力的束縛時，人類或可通過重新調校前庭視覺交互及相應的內部重力計算模型，提升對不同重力狀態下生命信息的探測能力，以便更好地適應太空環境。這些發現為進一步探究不同重力條件下人腦的可塑性奠定了基礎，也有望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國科學院心理研究所副研究員王瑩，通訊作者為心理所研究員、腦與認知科學國家重點實驗室副主任蔣毅和中國航天員科研訓練中心人因工程國家重點實驗室主任陳善廣。論文發表于Nature Communications。
論文信息：
Wang, Y., Zhang, X., Wang, C., Huang, W., Xu, Q., Liu, D., Zhou, W., Chen, S., & Jiang, Y. (2022). Modulation of biological motion perception in humans by gravity. Nature Communications, 13, 2765. https://www.nature.com/articles/s41467-022-30347-y
附件下載：