在睁开双眼之前,我们或许就已经“看到”了这个世界

2021
08/03

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生物谷
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在出生前,胎宝宝在妈妈的肚子里过着优裕的生活,如同鱼儿一般“畅游”在羊水之中,除此之外,还有羊膜、绒毛膜、子宫等器官组织将胎儿层层保护。光凭想象,都能猜出那里定然是一般光线很难光顾的角落。


然而,即使长期身处如此黑暗的条件下,科学家们却发现,当一只新生的哺乳动物第一次睁开双眼时,它竟就已经能够对周围的世界产生视觉感知了。可是,它们先前并没有真真切切地体验过“视觉”,那这一现象又是怎么发生的呢?它们又是如何学会“使用”视觉的呢?


图片来源:Pixabay


近日,美国耶鲁大学(Yale University)的一项实验揭晓了答案:通过“梦境”。


研究人员表示,从某种意义上而言,哺乳动物在出生之前就开始通过梦境来认识它们即将经历的花花世界了。


由神经科学教授威廉·齐格勒三世(William Ziegler III) 、眼科学和视觉科学教授迈克尔·克雷尔(Michael Crair)所领导的研究小组描述了刚出生的小鼠在睁开眼睛之前,其新生视网膜所发出的活动波。他们指出,这种视网膜波(retinal waves)可通过模拟未来光流,为后续新生儿实现视觉运动检测做好准备。


不过,这种视网膜波在出生后不久就会消失,取而代之的,是一个向大脑传递视觉刺激的、更为成熟的神经传输网络,信息在那里被进一步编码和存储。


7月23日,相关研究结果刊登在《科学》(Science)杂志上。


 "Retinal waves prime visual motion detection by simulating future optic flow" (图片来源:Science)


研究过程中,耶鲁大学的研究小组首先探索了视网膜波的起源。


研究表明,在小鼠出生后不久、但还未睁开眼睛之前,有一个短暂的发育窗口期,在此期间,小鼠视网膜会提前“实践”日后成年时眼睛须处理的方式,即产生模仿通过空间的定向运动感知的自发活动模式,就像梦见走过它们尚未经历过的世界一样。


我们不难想象的是,在小鼠们偷吃了东西后一边被追着打一边到处乱窜时,它眼前所经过的风景是向后流动的。科研人员利用单光子宽场钙成像(one-photon wide-field calcium imaging)技术,对未睁开双眼的小鼠大脑上丘(superior colliculus)进行成像,发现自发性视网膜波的流动模式与几天后小鼠在环境中实际移动时所产生的流动模式非常相似。通常而言,大脑上丘会接收来自视网膜的神经信号以处理方向性信息,而这种源自本能的模式活动明显改善了上丘细胞的反应能力。


Crair指出,这种早期梦境般的活动在进化上是有意义的,因为它能让幼小的哺乳动物在睁开眼睛后预测即将会经历什么,并准备立即对环境威胁做出反应。


图新生小鼠的视网膜波。(图片来源:YaleNews


随后,该研究小组还对在新生小鼠大脑中负责视网膜波传播的细胞和回路进行了探究。为了评估视网膜波在视觉系统发育中的作用,研究人员长期操纵波的方向性,并利用双光子钙成像技术(two-photon calcium imaging)来测量睁开双眼后的小鼠大脑上丘对视觉运动的反应。


他们发现,阻断星爆无长突细胞(starburst amacrine cell,视网膜中释放神经递质的细胞)的功能,就会防止视网膜波向模拟前进运动的方向流动;不过,从另一方面来说,对视网膜波方向性的慢性破坏,也会改变上丘神经元方向选择的发展,从而使老鼠出生后对视觉运动的反应能力产生阻碍性影响。


有趣的是,在成年老鼠的视网膜中,这些细胞在大脑更为复杂的运动检测回路中同样发挥着关键作用,使它们能够对环境线索做出反应。


图片来源:Pixabay


此实验表明,小鼠视觉系统的基本回路特征在“视觉”出现之前就已经存在,这使得小鼠在睁开眼睛时能够立即感知物体并检测视觉运动。对于人类而言,人类婴儿也能够立即发现物体并识别动作,比如小婴儿常常会被在他们视野中移动的手指吸引注意力,这也同样表明他们的视觉系统或许在出生前就已经做好了准备。


作者表示,在睁眼时,哺乳动物就能够做出非常复杂的行为。事实证明,我们生来就有能力感知物体运动或是在环境中导航,至少在初级阶段是这样的。而这些大脑回路在出生时就是自组织(self-organization)的,一些早期的适应在动物出生前已经完成了,“就像做梦一样。”——瞧,仅仅依靠梦境,我们就已经能学会如何使用视觉来感知世界了。


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关键词:
视网膜波,哺乳动物,方向性,视觉,大脑,运动

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