在最近發(fā)表于Nature Communications的一項研究中，來(lái)自腦與認知科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)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(diǎn)實(shí)驗室的科研人員展開(kāi)合作，借助載人航天與-6°頭低位臥床模擬失重等技術(shù)（圖1），探究了微重力條件下人類(lèi)視知覺(jué)的變化規律及其機理，揭示了地球重力環(huán)境在塑造人類(lèi)視知覺(jué)功能中的關(guān)鍵作用。

 

　　該研究主要關(guān)注人類(lèi)對視覺(jué)生物運動(dòng)的加工。在地球上，生命體的運動(dòng)受到地球重力的制約。而人類(lèi)對符合重力作用的生物運動(dòng)具有特殊的敏感性，表現為僅僅依靠幾個(gè)附著(zhù)于運動(dòng)生物關(guān)節上的光點(diǎn)，就能探測到生命體的存在，并從中提取與生存及社會(huì )交互相關(guān)的信息；有趣的是，當光點(diǎn)生物運動(dòng)刺激倒置呈現，其運動(dòng)模式不再符合重力作用的影響時(shí)，人們對其的感知就會(huì )顯著(zhù)變差。有研究表明，上述倒置效應主要取決于生物運動(dòng)中包含的重力加速度線(xiàn)索。這種由視覺(jué)重力線(xiàn)索驅動(dòng)的朝向特異的知覺(jué)敏感性可能反映了生命體在地球重力環(huán)境中發(fā)展出的一種適應性機制，具有進(jìn)化意義。然而，這種知覺(jué)敏感性究竟緣何而來(lái)？地球重力在其中扮演了何種角色？這些重要的科學(xué)問(wèn)題一直以來(lái)未能得到很好的解答。

　　關(guān)于這些問(wèn)題，存在兩種不同的假設。假設之一是人們對正立生物運動(dòng)相對于倒立刺激的知覺(jué)優(yōu)勢完全源自我們的視覺(jué)經(jīng)驗，正如人們通過(guò)長(cháng)期觀(guān)察學(xué)習，獲得了對正立面孔相對于倒立面孔的知覺(jué)優(yōu)勢。而另一種假設則與地球重力有關(guān)，即由于我們自身始終處于地球重力場(chǎng)，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(shí)時(shí)的計算有可能為視覺(jué)重力加速度的加工提供便利，從而塑造了視覺(jué)生物運動(dòng)知覺(jué)的朝向依賴(lài)性。

　　該研究結果支持了后一種假設。首先，通過(guò)航天實(shí)驗，研究者發(fā)現暴露于太空失重環(huán)境約一周之后，航天員生物運動(dòng)知覺(jué)的倒置效應顯著(zhù)降低，且該效應在個(gè)體間具有高度的一致性（圖2a,2b），提示地球重力環(huán)境對于維持人類(lèi)對生物運動(dòng)信息的朝向特異敏感性至關(guān)重要。為了進(jìn)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(shí)驗環(huán)境和練習效應）引起，研究者開(kāi)展了兩個(gè)控制實(shí)驗。結果發(fā)現，在正常地球重力條件下，不論個(gè)體是在模擬航天任務(wù)的幽閉環(huán)境中反復進(jìn)行生物運動(dòng)知覺(jué)測試，還是在實(shí)驗室中進(jìn)行多次測試，都不會(huì )表現出生物運動(dòng)知覺(jué)倒置效應的減弱（圖2c,2d），從而支持太空失重、而非重力無(wú)關(guān)因素決定了航天實(shí)驗的結果。

 

圖2. 航天實(shí)驗及地面控制實(shí)驗的流程和結果

 

　　為驗證航天實(shí)驗的發(fā)現，并探究失重帶來(lái)的生物運動(dòng)知覺(jué)變化背后的神經(jīng)機制，研究者開(kāi)展了一個(gè)在地模擬失重實(shí)驗。實(shí)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(fā)類(lèi)似于失重狀態(tài)下的生理及前庭響應改變。45天頭低位臥床實(shí)驗產(chǎn)生了和航天實(shí)驗類(lèi)似的行為影響，即生物運動(dòng)知覺(jué)倒置效應在頭低位臥床期間逐漸減弱，并最終降至顯著(zhù)低于前測的水平。與此同時(shí)，研究者還測量了面孔知覺(jué)倒置效應，發(fā)現其并不隨頭低位臥床時(shí)間增長(cháng)而減弱，說(shuō)明生物運動(dòng)知覺(jué)的改變可能源于運動(dòng)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(shù)掃描了受試者的神經(jīng)活動(dòng)。在前測中，大腦中特異于生物運動(dòng)加工的pSTS腦區表現出對生物運動(dòng)刺激的朝向依賴(lài)性響應（神經(jīng)水平的倒置效應），而該效應在后測中顯著(zhù)下降，且上述改變無(wú)法由簡(jiǎn)單運動(dòng)或靜態(tài)身體形狀刺激誘發(fā)的神經(jīng)響應所解釋?zhuān)▓D3a）。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(lài)性響應，但該效應在后測中并未發(fā)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(tài)物體表征的可能性，說(shuō)明模擬失重特異性地改變了生物運動(dòng)信息的朝向特異性視覺(jué)加工。靜息態(tài)功能連接分析進(jìn)一步發(fā)現，pSTS與腦島后部區域的功能連接在后測顯著(zhù)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(dòng)知覺(jué)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(fā)現與前庭和視覺(jué)重力信息加工及內部重力模型的存儲有關(guān)，因而上述結果有力支持了前庭重力計算參與視覺(jué)生物運動(dòng)信息朝向特異性加工的假說(shuō)。

 

圖3. 頭低位臥床前后功能磁共振成像實(shí)驗結果

 

　　該研究使人們更深入地了解地球重力環(huán)境之于人類(lèi)認知功能的意義：地心引力不但影響我們自身的活動(dòng)，還通過(guò)施加于身體的重力信號影響我們對包含重力加速度線(xiàn)索的其他生命體運動(dòng)的加工，從而塑造了人腦對符合地球重力作用的視覺(jué)生物運動(dòng)特異的敏感性。在機制方面，上述過(guò)程可能有賴(lài)于大腦對前庭（自身）及視覺(jué)系統（他人）傳遞的重力信號的整合及利用。在地球環(huán)境中，這種整合機制有助于人類(lèi)有效地探測和知覺(jué)地球上的生命體。而當擺脫地心引力的束縛時(shí)，人類(lèi)或可通過(guò)重新調校前庭視覺(jué)交互及相應的內部重力計算模型，提升對不同重力狀態(tài)下生命信息的探測能力，以便更好地適應太空環(huán)境。這些發(fā)現為進(jìn)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(lái)人類(lèi)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(xué)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(xué)國家重點(diǎn)實(shí)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(diǎn)實(shí)驗室主任陳善廣。論文發(fā)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