作者:Daniel Huber 来源:《当代生物学》 发布时间:2020/12/10 10:43:53
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最小灵长类揭示数千万年视觉进化

 

大脑样本对比图

鼠狐猴。图片来源:Daniel Huber/ University of Geneva

灵长类动物在眼前便能处理视觉信息,这有点类似于数码相机处理像素。

为了理解人类视觉能力的起源,瑞士日内瓦大学科学家,联合德国马普学会和法国国家自然历史博物馆等机构合作者,调查了这些计算单位能否跨越灵长类动物之间巨大的尺寸差异。

研究人员比较了鼠狐猴和其他灵长类动物的视觉系统,发现这些视觉处理单元的大小在所有灵长类动物中是相同的,与它们的体型无关。相关论文近日刊登于《当代生物学》。

“所有灵长类动物在视觉系统中共享相同大小和组织的处理模块,这表明这些模块很可能出现在早期和某个特定的时刻(破坏性创新),而不非随着时间的推移而逐渐进化。”该研究通讯作者、日内瓦大学基础神经科学系教授Daniel Huber在接受《中国科学报》采访时表示。

最小灵长类动物

视觉在演化史上是一个重要主题,但是除了节肢动物化石中钙化的晶状体以外,视觉系统中的其他部分通常很难在化石记录中保存下来,因为眼睛和大脑的软组织在死亡后分解得很快。

之前,英国布里斯托大学科研人员提出了一条时间线,指出所有动物群的一个拥有视蛋白的共同祖先出现在大约7亿年前。不过,最初这种视蛋白被认为是“盲”的,然而在接下来的千万年里,视蛋白经历了关键的遗传变化,有了探测光的能力。

随着演化,生命越来越复杂的同时,视觉系统也在不断发展。为了更好地观察周围的世界,灵长类动物使用复杂的眼球运动集中视觉;鸟类、昆虫和啮齿类动物则通过移动头部来做同样的事情。

一个多世纪以来,人们对灵长类动物的视觉系统进行了深入研究。这些研究发现,与啮齿类动物等其他哺乳动物不同,视觉信息是由位于视觉皮质的专用小型计算单元处理的。

由于不同灵长类物种有不同的体型,人们不禁想知道这个基本的计算单元是否随着身体亦或是大脑的大小而变化。例如,在灰鼠狐猴身上,它是简化了还是缩小了呢?

来自马达加斯加的灰鼠狐猴最小灵长类动物的一种,体重仅为60克。鼠狐猴是一种非常特殊的物种,和最早进化于5500万年前的灵长类动物有很多相同的特征。

“我们选择鼠狐猴有两个原因。首先,它是世界上最小的灵长类动物之一,因此,如果大脑回路的小型化或简化发生在体型更小的物种中,那应该在鼠狐猴的大脑中十分明显。”Huber说,“其次,鼠狐猴被认为是早期灵长类动物的‘典范’,因为它与我们最早的祖先有许多共同的特征,例如小体型、栖息地、食物来源和树栖生活方式等。”

不要介意大小

为了弄清视觉和体型的关系,研究人员使用光学脑成像技术研究了鼠狐猴的视觉系统。研究人员将代表不同方向的几何图形呈现给鼠狐猴,并将神经元对视觉刺激做出反应的活动进行了成像。

经过反复测量,研究人员能够确定处理表单信息的最小单元的大小。“我们期望看到一个微小的单位,与鼠狐猴的小体型成比例,但我们的数据显示,它们的测量直径超过0.5毫米。”Huber说。

在与马普学会研究人员的合作中,Huber将鼠狐猴大脑中的数百个单元图像与其他更大的灵长类动物视觉回路的数据进行了比较。研究小组有了一个惊人的发现:60克的鼠狐猴、7公斤的猕猴,甚至更大的灵长类动物(如人类),这些视觉处理基本单元大小几乎相同。

研究人员表示,结果表明,从最大的到最小的灵长类动物,视觉系统的基本模块都没有发生微型化演变。这表明,人们的视觉系统得到了令人难以置信的保存,并揭示了视觉在从远古祖先到现在人类的日常生活中的重要性。

此外,这些视觉处理单元在大脑中的排列方式是完全相同的,遵循着同样的数学规则。研究人员还发现,到目前为止,所有被研究的灵长类动物的每个视觉单元的神经细胞数量几乎是相同的。

十年前,马普学会动力学和自组织研究所物理学家Fred Wolf就曾指出,视觉系统的进化可能会受到普遍数学原理的支配,但他至今仍对这种不变性感到惊讶。他告诉记者:“5500万年的大陆分离带来了一个非常漫长的进化过程。我本以为在这些神经模块中,物种之间会有一些共性和特征差异。但事实是,几乎不可能把它们区分开来。”

视觉回路是“超人”

“对抗住”数千万年的演化、不惧宿主体型大小,也许灵长类动物拥有的视觉回路比之前人们想象得要强大得多。这些强大且没有出现压缩的回路堪比“超人”。

研究人员表示,这些结果为了解灵长类视觉的起源提供了深刻的见解。首先,这些视觉处理单元被保存得如此完好,说明其很可能在灵长类历史的早期就已经进化,这表明在视觉的形成方面,我们的灵长类祖先从一开始就拥有与我们相似的视觉能力。

另外值得注意的是,这部分视觉系统不能被压缩或缩小。因此,“看”这一过程似乎需要一定数量的神经元来确保其最佳功能。

因此,研究人员表示,对于视力极佳的小型灵长类物种来说,比如鼠狐猴,视觉系统相对于它们整个大脑的大小来说必须相对较大,才能容纳足够数量的视觉处理单元。事实上,鼠狐猴超过1/5的大脑皮层用于视觉处理。相比之下,与视觉相关的神经回路仅占人脑的3%。

当然,这并不意味着灵长类的整个视觉系统都是一成不变的。之前,一项研究对波多黎各圣地亚哥岛80多只不同恒河猴食用30种树上的果实进行了2万多次单独观察。研究人员发现,一些灵长类动物的眼睛拥有3个不同种类的光敏视锥细胞,而不是两个。拥有三色彩感觉的雌猴比拥有两色彩感觉的雌猴能更快地找到果子。而灵长类动物产生这种三色彩感觉是因为它让人类的早期祖先能更容易地看到绿色森林海洋中色彩鲜艳的成熟果实。

另一方面,除了揭秘视觉的数千万年进化,这项研究还强调了保护鼠狐猴等灵长类动物栖息地的重要性,尤其是在马达加斯加的森林中。“这些栖息地正在以惊人的速度消失,同时也带走了了解人类起源的宝贵钥匙。”Huber说。(来源:中国科学报 唐凤)

相关论文信息:http://dx.doi.org/10.1016/j.cub.2020.11.027

 

 
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