深圳先进院发现大脑快速防御天敌反应的“简单”策略深圳先进院发现大脑快速防御天敌反应的“简单”策略深圳先进院发现大脑快速防御天敌反应的“简单”策略

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深圳先进院发现大脑快速防御天敌反应的“简单”策略

  在复杂多变的自然环境中,大脑如何“快速”“简洁”“精准”地判别天敌信号,产生快速且合适的防御反应是物种得以生存与繁衍的重要前提。中国科学院深圳先进技术研究院王立平团队近期发现动物大脑快速防御天敌反应的“简单”策略,在BMC Biology期刊在线发表题为A simple threat-detection strategy in mice的研究论文。助理研究员杨星、刘清晴和博士生钟金玲为该论文的共同第一作者,王立平研究员为通讯作者。

  自然环境中充斥着各种复杂的感觉线索,动物需要基于这些线索做出判断。一方面,它们需要快速检测到逼近的天敌,并采取攻击和逃跑恰当的防御行为,,来确保自身的安全;另一方面,它们不能对非危险性线索比如飞过的昆虫做出过度反应,以免白白耗费体力并错失获得食物和配偶的机会。这是动物在漫长的进化过程中逐渐形成的本能,对动物的生存和繁衍至关重要。其中,视觉线索是动物快速检测危险的重要依据。此前研究常用一个逐渐扩大的阴影圆盘来模拟捕食者的攻击,并成功诱发了小鼠的本能防御反应。这说明在需要快速检测潜在危险的场合,视觉系统可能会忽略一些细节。那么动物到底基于哪些视觉线索来判断风险,又有哪些线索是不需要过多关注的呢?

  在这项工作中,杨星等人应用自主研发的小动物行为自动检测系统,给小鼠呈现一系列以不同速度扩大、具有不同大小的圆盘阴影,记录并量化分析了小鼠由这些视觉刺激引发的行为,包括逃跑(flight)、僵直(freezing)和站立(rearing)等。他们发现,小鼠对圆盘阴影的大小变化和扩大速度的检测存在一个“警戒范围”,即大小处于10°至40°,扩大速度在57°/s至320°/s这个范围内的圆盘阴影更容易引发强烈的逃跑反应。捕食鼠类的猛禽,如黑翅鸢、仓鸮等,它们在捕食过程中的影像基本符合小鼠的“警戒范围”,而低危险性的视觉线索,如苍蝇、蜻蜓等昆虫靠近的影像,则与“警戒范围”不重合或只有很少的重合。由此推测,“警戒范围”代表发动攻击的捕食者所具有的共同视觉特征。

  该研究揭示了小鼠检测捕食者的策略:小鼠基于视觉线索是否处于警戒范围来做出反应,而不是为不同的天敌“定制”特定的检测机制,这个简单的策略有助于小鼠快速且精准地辨识真正的危险。该研究将有助于我们理解大脑处理危险信号的神经机制及其进化意义。

  该研究获得了国家自然科学基金委、中国科学院、广东省、深圳市等项目的资助。该研究方向也是深圳市科技创新委支持下的深港脑科学创新研究院的研究方向之一。

   论文链接 

图1.阴影圆盘的扩大速度影响小鼠本能逃跑行为

图2.阴影圆盘的大小影响小鼠本能逃跑行为

  

图3.小鼠通过视觉刺激是否处于警戒范围来判断危险程度并采用适当的行为反应