作者:刁雯蕙 来源:中国科学报 发布时间:2020/5/7 17:52:29
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拓扑变化把危险变成“甜甜圈”

 

精神分裂症和自闭症患者往往存在异常的恐惧知觉,而拓扑性质知觉异常可能影响恐惧信息的加工。近日,中国科学院深圳先进技术研究院王立平团队,与中国科学院生物物理所陈霖院士团队发现,拓扑变化能够削弱大脑的本能恐惧反应,其研究成果“拓扑变化削弱小鼠对视觉威胁的本能防御反应”正式发表在《神经科学通报》上。

优先感知拓扑性质

作为数学领域的一个分支,拓扑学认为,一个物体在连续形变的过程中,能保持不变的一种性质——拓扑性质。

就像一张橡皮薄膜,无论它如何被拉扯形变,橡皮薄膜的拓扑性质都不会发生改变,一旦薄膜被撕成了两半,或薄膜被扯破出现洞的时候,其拓扑性质就发生变化了。

然而数学概念的拓扑性质如何与人的感知产生联系?

早在1982年,陈霖在《科学》发表的一篇文章中指出,人的视觉系统最优先感知到的信息就是物体的拓扑性质,同时也证实了人的视觉系统对拓扑变化非常敏感。

“1秒虽然很短,但我们的视觉系统可以在仅仅5毫秒内,就能提取加工物体的拓扑性质,而且人对拓扑性质的感知是与生俱来的。” 论文第一作者兼通讯作者、中国科学院深圳先进技术研究院副研究员黄艳告诉《中国科学报》。

拓扑变化降低了恐惧感

动物在遇见天敌的时候,通常会立刻四散逃跑,或者待在原地一动不动,这些都是动物在感知到危险信号时做出的本能行为。研究团队将物体的拓扑性质应用到动物的视觉研究当中,去探索动物的本能行为,发现了一个有趣的现象。

研究人员设置了一个由小到大、连续变化的黑色实心圆阴影,用以模拟老鹰袭击的场景,从而观察小鼠的本能反应。起初,小鼠在实心圆阴影出现后,立马吓得逃回了窝,研究人员尝试将实心圆变成实心的正方形或S型,小鼠的逃跑反应时间均不变。

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图片来源:中国科学院深圳先进技术研究院

有意思的是,研究人员在这个连续变化的过程中,随机加入80毫秒的空心圆后,小鼠竟然不那么害怕了,做出逃跑行为的反应时间明显变长。

“就像是一颗巨大的陨石向我们疾速袭来,人会本能地感到害怕,如果中途陨石发生了拓扑变化,突然变成了一个甜甜圈,然后又变回陨石,那你原本对陨石产生的强烈恐惧感是不是削弱了很多?”黄艳说,当大脑面对危险视觉信号时,物体拓扑性质的变化削弱了大脑的本能恐惧反应。

“本能”的皮层下通路

大脑就像人体的“司令部”,大脑皮层会对各种信息进行加工,并在第一时间发号司令,指挥身体做出反应。科学家们发现大脑中还存在一条神秘的皮层下通路,可以快速处理与生存密切相关的信息,如危险性信息指挥身体做出本能反应。

黄艳等人发现,大脑对拓扑性质的感知也是“走”皮层下通路。具体而言,当大脑接收到危险视觉信号的时候,皮层下通路被激活的细胞数量增加,产生了本能恐惧反应,然而加入拓扑变化之后,本能恐惧反应减弱,皮层下通路激活的细胞数量也减少了,这说明拓扑变化也能对大脑的皮层下通路对危险性视觉信号的加工产生影响。这为拓扑变化削弱本能恐惧反应的发现提供了神经生物学的证据。

这条神秘的皮层下通路究竟是什么,目前科学界还未有定论。然而皮层下通路的加工异常可能与一些脑疾病有密切关系,因此,研究拓扑性质的皮层下通路的加工机制,很有可能成为破解众多脑疾病奥秘的钥匙。

拓扑性质的变化降低恐惧感这一发现,有助于深入了解相关脑疾病的发生机制。团队未来将把拓扑性质的研究拓展到更多的脑疾病研究中,如自闭症、精神分裂症、阅读障碍症等。据了解,研究团队已经与中山眼科医院开展合作,相关研究成果将用于青光眼病人的早期检测与治疗上。

 
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