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中国科技网:大脑如何判断危险信号?我科学家发现防御反应的“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”地判断天敌信号,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。
8月12日,记者从中国科学院深圳先进技术研究院获悉,该院王立平团队发现动物大脑快速防御天敌反应的“简单”策略,相关成果发表于BMC Biology期刊。该研究揭示了小鼠的大脑在处理视觉线索时存在一个用于检测天敌的“警戒范围”,通过这种方式可以快速识别危险信号,并诱发防御反应。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。
“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。这说明视觉系统在判断危险信号时可能会忽略掉一些细节,只基于某些关键视觉线索进行判断”杨星表示。

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。
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?在研究过程中,研究团队开发了基于红外触摸屏的小动物行为自动监测系统。通过给小鼠设定视觉刺激,记录小鼠在遇到视觉刺激时的反应参数。
“我们的自动检测系统可以记录小鼠在装置内的行为数据,例如小鼠大小、位置以及对应的时间,根据这些数据我们可以计算小鼠逃跑的速度、僵直的时间、站立的次数等等,数据的采集和后续的计算和统计都可由程序完成,可以说我们的系统基本实现了小鼠行为数据采集和分析的自动化。”杨星表示。
研究人员通过监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反应,包括逃跑、僵直和站立等。团队发现,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。
基于研究中发现的“警戒范围”,在进一步的验证中,研究团队根据动物大小和来袭速度,模拟仓鸮、蜻蜓、苍蝇等动物对小鼠的视觉刺激。
团队发现捕食鼠类的猛禽,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。
经过系列实验后,团队得出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。该研究将有助于理解大脑处理危险信号的神经机制及其进化意义。