心理所合作研究揭示生物運動早期視覺加工中的跨物種神經機制

對人類和動物而言，從復雜的視覺環境中迅速檢測其他生物體的運動是一項重要的視覺加工能力，這種能力有助于捕獵、躲避天敵和社會交互等多種生存行為。實驗研究中通常采用一種被稱為生物運動（biological motion）的簡單光點動畫來刻畫人或動物的運動信息（圖1a-b），從而有針對性地開展相關視覺加工機制研究。大部分脊椎動物均對生物運動信息有著很好的視覺加工能力，且該能力在包括人類在內的多個物種中均發現具有先天性。這意味著這一能力理應存在跨物種的神經基礎。

中國科學院心理研究所蔣毅研究組和中國科學院生物物理研究所劉寧研究組、張朋研究組合作開展了一項創新性的跨物種研究，借助高場強（3T）和超高場強（7T）功能性磁共振成像（functional magnetic resonance imaging, fMRI）技術考察人類和獼猴的上丘（superior colliculus）在生物運動視覺加工中的作用。上丘是一個直接接收視網膜傳入信號的腦核團，可進行早期視覺加工，它位于哺乳動物中腦，非哺乳動物則有其同源結構視頂蓋。研究者記錄了人和獼猴觀看局部生物運動信息時上丘的反應，發現生物運動在人類和獼猴上丘均引起了比控制條件更強的神經激活（圖1c-e）。

圖1 (a-b)生物運動示意圖；（c-d）人類上丘對生物運動的響應；（e）獼猴上丘對生物運動的響應

考慮到上丘由多層不同細胞構成，其中接收視網膜傳入信號的是淺層細胞，研究者又進一步將人類上丘中采集的信號按照與表面的距離進行了細分，發現生物運動信息引起的特異性神經激活在上丘表層最強，而隨著深度增加逐漸減弱直至消失（圖2）。

圖2 （a）人類上丘在7T影像中的分層示例；（b）人類上丘響應隨分層變化結果

研究者進一步采用動態因果建模（dynamic causal modeling, DCM）方法考察人類上丘與大腦中其他加工生物運動信息的腦區之間的關系。分析結果揭示出一條生物運動信息視覺傳輸的功能連接通路，從上丘出發，經過中顳葉視覺區（middle temporal visual complex, MT+），直至后顳上溝（posterior superior temporal sulcus, pSTS；圖3）。

圖3 動態因果建模分析揭示生物運動視覺傳輸功能連接通路

綜上所述，該研究發現了上丘加工生物運動信息的跨物種神經機制，表明在視覺加工的早期階段就已經進行了生物運動加工。

該研究得到了科技創新2030-“腦科學與類腦研究”重大項目（2021ZD0203800、2021ZD0200200、2021ZD0204200）、國家自然科學基金（32430043、31830037）、中國科學院創新交叉團隊（JCTD-2021-06）以及中央高校基本科研業務費專項資金資助的支持。

研究成果近期在線發表于Nature Communications。心理所助理研究員魯溪芊、博士研究生胡召起（已畢業）和生物物理所博士后辛雨萌為論文共同第一作者，心理所蔣毅研究員和生物物理所劉寧研究員為論文共同通訊作者，生物物理所博士研究生楊天舒（已畢業）、心理所王瑩青年特聘研究員、生物物理所張朋研究員為論文共同作者。

論文信息：

Lu, X., Hu, Z., Xin, Y. et al. Detecting biological motion signals in human and monkey superior colliculus: a subcortical-cortical pathway for biological motion perception. Nat Commun15, 9606 (2024). https://doi.org/10.1038/s41467-024-53968-x