心理所合作研究揭示魚類可以利用重力方向上的視覺運動線索識別生物運動

　　從復雜環境中存在的各種運動信息中精準地辨別出生物運動（biological motion），是所有動物實現趨利避害的生存適應性行為的前提。生物運動檢測理論（life motion detector theory）認為，包括人類在內的陸生脊椎動物僅憑視覺運動線索即可識別生命體的信息，而且垂直方向（即重力方向）上的運動線索在其中起了關鍵作用。為了剝離形狀、顏色等非運動線索，進而直觀地檢測運動線索在生物運動識別中的作用，研究者通常使用附著在主要關節處的光點運動來表達生物運動信息。通過將生物運動進行垂直方向上的倒置，研究者可以破壞其重力方向上的運動線索。研究發現相比于正立的生物運動信息，人類對這種倒置生物運動信息的識別會變得更為困難，表現出生物運動加工的倒置效應。這種效應不僅存在于人類，在其它諸多陸生脊椎動物，例如小雞、狒狒、狨猴等物種中也廣泛存在。那么，生物運動加工的倒置效應是動物適應陸地生活所進化出的特異性機制，還是源自與陸地動物生活環境完全不同、但進化上更早的水生動物，目前尚不清楚。

　　為了解決這一問題，中國科學院心理研究所蔣毅研究組與中國科學院生物物理研究所副研究員劉祖祥開展合作研究，以斑馬魚為模式動物，通過三個實驗首次探究了生物運動加工的倒置效應是否同樣存在于水生動物中。利用圖1所示的裝置，實驗1首先在魚缸兩側給斑馬魚呈現正立的生物運動刺激和非生物運動刺激（勻速運動的光點），以驗證斑馬魚是否能夠識別魚類的生物運動。實驗結果發現，與非生物運動相比，斑馬魚更偏向于在呈現正立生物運動刺激的那側缸壁附近游動（圖2a）,也更喜歡看向正立的生物運動刺激（圖2b），因此表明斑馬魚能夠區分生物運動和非生物運動。

　　在此基礎上，通過同時在魚缸兩側呈現正立的和倒立的生物運動刺激，實驗2重點考察了斑馬魚是否能夠表現出生物運動加工的倒置效應。實驗結果發現，斑馬魚整體上更偏向在呈現正立生物運動刺激的缸壁附近游動（圖2c），即相比倒立的生物運動刺激，它們更偏好正立的生物運動刺激。由于實驗2并未發現斑馬魚會更多地看向正立的生物運動刺激，研究者推測同時呈現正倒立兩種非常相似的生物運動刺激會存在潛在競爭，因此在實驗3中，對于每條測試的斑馬魚，僅會在魚缸一側呈現正立或倒立的生物運動刺激。此時，與倒立的生物運動刺激相比，斑馬魚看向正立生物運動刺激的比例顯著增多（圖2d）。綜合以上實驗結果，研究首次證明斑馬魚具有區分正立和倒立生物運動信息的能力，表現出生物運動加工的倒置效應。

圖1. 實驗設備、刺激及程序

正立、倒立及非生物運動均由6個均勻置于斑馬魚脊椎上的光點組成

圖2. 實驗結果

　　這項研究說明，與陸生脊椎動物一樣，進化上更早的水生脊椎動物很可能也具有對重力方向上的視覺運動線索敏感的生物運動檢測機制，進而提示依賴重力的生物運動加工可以追溯到古老的水生動物。研究者進一步分析了斑馬魚游動、鴿子行走和人類行走的運動參數，發現正立的生物運動在重力方向上的速度和加速度具有相似的運動模式，這也進一步支持了視覺系統可能存在一種基于重力規則的跨物種生物運動檢測機制。這項研究同時也為今后利用斑馬魚作為模式動物進一步開展生物運動加工的神經通路研究提供了可行的實驗范式。

　　該研究獲得科技創新2030-“腦科學與類腦研究”重大項目、國家自然科學基金、中國科學院先導專項等的支持。成果已在線發表于Research。

　　論文信息：

　　Ma, X., Yuan, X., Liu, J., Shen, L., Yu, Y., Zhou, W., Liu, Z., & Jiang, Y. (2022). Gravity-dependent animacy perception in zebrafish. Research, 2022, 9829016. https://doi.org/10.34133/2022/9829016

　　相關研究論文：

　　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