大腦如何判斷危險信號 科學家發現“警戒範圍”

在複雜多變的自然環境中，大腦如何快速、簡潔、精準地判斷天敵信號，並第一時間產生合適的防禦反應，是物種得以生存與繁衍的重要前提，也是科學家長期致力於破解的謎題。

中國科學院深圳先進技術研究院研究員王立平團隊近日在“動物大腦快速防禦天敵反應的簡單策略”方面有了最新發現，相關成果發表於國際學術期刊《BMC生物學》（BMC Biology）。該研究揭示了小鼠的大腦在處理視覺線索時，存在一個用於檢測天敵的“警戒範圍”，通過這種方式可以快速識別危險信號，並誘發防禦反應。助理研究員楊星、劉清晴和博士生鍾金玲為該論文的共同第一作者，王立平研究員為通訊作者。

楊星説，自然環境中充斥着各種複雜的感覺線索，動物需要基於這些線索作出判斷。一方面，它們需要快速檢測到逼近的天敵，並採取恰當的防禦行為，來確保自身的安全；另一方面，它們不能對非危險性線索，比如飛過的昆蟲做出過度反應，以免白白耗費體力並錯失獲得食物和配偶的機會。這是動物在漫長的進化過程中逐漸形成的本能，對動物的生存和繁衍至關重要。

“視覺線索是動物快速檢測危險的重要依據，此前研究常用一個逐漸擴大的陰影圓盤來模擬捕食者的攻擊，併成功誘發了小鼠的本能防禦反應。這説明，如果只基於某些關鍵視覺線索進行判斷，可能會忽略掉一些細節。”楊星表示。

那麼，動物到底基於哪些視覺線索來判斷風險，又有哪些線索是不需要過多關注的呢？在研究過程中，研究團隊開發了基於紅外觸摸屏的小動物行為自動監測系統。該系統通過給小鼠設定視覺刺激，記錄小鼠在遇到視覺刺激時的反應參數。

王立平告訴記者，科研團隊的自動檢測系統，可以記錄小鼠在裝置內的行為數據，比如小鼠大小、位置以及對應的時間，根據這些數據，科研團隊可以計算小鼠逃跑的速度、僵直的時間、站立的次數，等等，數據的採集和後續的計算和統計都可由程序完成，可以説這一系統基本實現了小鼠行為數據採集和分析的自動化。

研究人員通過監測系統，給小鼠呈現一系列以不同速度擴大、具有不同大小的圓盤陰影，記錄並量化分析了小鼠由這些視覺刺激引發的行為反應，包括逃跑、僵直和站立等。團隊發現，小鼠對圓盤陰影的大小變化和擴大速度的檢測存在一個“警戒範圍”，即大小處於10°至40°，擴大速度在57°每秒至320°每秒這個範圍內的圓盤陰影，更容易引發強烈的逃跑反應。

王立平説，基於研究中發現的“警戒範圍”，在進一步的驗證中，研究團隊根據動物大小和來襲速度，模擬倉鴞、蜻蜓、蒼蠅等動物對小鼠的視覺刺激。

團隊發現，捕食鼠類的猛禽，如黑翅鳶、倉鴞等，它們在捕食過程中的影像，基本符合小鼠的“警戒範圍”，而低危險性的視覺線索，如蒼蠅、蜻蜓等昆蟲靠近的影像，則與“警戒範圍”不重合或只有很少的重合。由此推測，“警戒範圍”代表發動攻擊的捕食者所具有的共同視覺特徵。

經過系列實驗後，團隊得出小鼠檢測捕食者的策略：小鼠基於視覺線索是否處於警戒範圍來做出反應，而不是為不同的天敵“定製”特定的檢測機制，這個簡單的策略，有助於小鼠快速且精準地辨識真正的危險。王立平説，該研究將有助於理解大腦處理危險信號的神經機制及其進化意義。