上海紐約大學教授揭示與人類運動相關的新腦區

文/上海紐約大學 編輯/清風

想象一下你乘飛船遨游于太空，成千上萬顆星體從你身邊掠過。此時，你的大腦如何感知飛船行進的方向？在近期發表于美國神經科學學會官方會刊《神經科學雜志》（The Journal of Neuroscience）的一篇文章中，上海紐約大學神經科學和心理學教授、華東師范大學-紐約大學腦與認知科學聯合研究中心（上海紐約大學）成員李黎對此問題進行了研究。在題為《整合運動和形狀線索以感知人類行進方向的腦區》（Integration of Motion and Form Cues for the Perception of Self-Motion in the Human Brain）的文章中，李黎教授研究團隊發現了人類大腦中可以整合運動和形狀信息以感知行進方向的腦區。該項研究的合作者還包括華東師范大學心理與認知科學學院研究員、同為華東師范大學-紐約大學腦與認知科學聯合研究中心（上海紐約大學）成員的蒯曙光博士及其研究團隊。

▲ 模擬遨游太空的場景

“準確感知并控制自身的運動對于人類生存的意義十分重大。”李黎教授說道，“高速移動時，快速經過的物體會在我們的眼中形成呈放射狀發散的運動圖像。這些運動圖像中包含的信息對我們感知和控制自身運動來說至關重要。了解這些信息和相關神經機制有助于設計仿生機器人，治療神經退行性運動障礙。”

神經科學界主流理論認為，運動信息（與運動相關的動態視覺信息）和形狀信息（從周圍環境獲取的靜態視覺信息）在大腦中沿著不同的視覺通路進行處理。但也有研究對這一理論發起挑戰。例如，在早期研究中，李黎教授團隊發現，人們同時使用形狀信息和運動信息決定行進方向。基于這些發現，李黎教授和研究助理山周魁東，以及博士后研究員陳靜，試圖找到大腦整合這兩種信息的腦區。

▲ 圖片展示了運動發散中心（用紅色 + 標示）可以如何區別于視頻同一幀的形狀發散中心（用藍色 x 標示）

研究中，李黎教授團隊設計了短視頻作為視覺刺激，用成對散點的放射狀運動，模擬人向前移動時所看到的景象。每個視頻都包含兩個中心：成對散點通過向外的放射性運動，形成運動發散中心；每一對點連線的朝向，形成形狀發散中心。這兩個中心的位置可以相同，也可以不同。

李黎教授團隊使用了功能磁共振成像技術，拍攝并分析了受試者觀看視頻時腦部的高清圖像，識別出對運動信息和形狀信息作出反應的腦區。

首先，研究將運動發散中心固定于視頻中央，同時讓形狀發散中心由左向右移動。在這一組刺激下，研究者發現初級視皮層和高級視皮層對形狀發散中心的移動進行了編碼，表明這些腦區處理形狀信息。

▲ 運動發散中心固定在中央，形狀發散中心由左向右移動

▲ 對形狀信息做出反應的腦區

接著，研究者變動了運動發散中心和形狀發散中心的位置，使兩個中心重合或不重合。中心重合的視頻使受試者感知到不同的行進方向，而中心不重合的視頻則引起相同行進方向的感知。研究者發現，V3B/KO腦區根據感知而非兩個中心的移動作出反應，符合該腦區整合了運動和形狀信息以對行進方向進行綜合感知的假設。之后，李黎教授團隊使用隨機打散運動信息或形狀信息的刺激重復了實驗，證實了V3B/KO腦區是對整體而非局部信息作出反應。

▲ 運動發散中心和形狀發散中心重合及不重合的刺激

該研究的發現有許多實用價值。比如，了解人類整合不同視覺信息感知行進方向的神經機制，有助于全自動駕駛汽車和仿生機器人的研發和設計。同時，該發現也可用于理解和治療神經退行性運動障礙。李黎教授解釋道：“如果患者大腦某些區域——譬如V3B/KO腦區——發生病變，我們就能預測該疾病對患者自身運動的感知和控制產生怎樣的影響。”

雖然研究結果意義重大，但定位V3B/KO腦區并不是研究的終點。李黎教授團隊將繼續探究人類行走、駕駛時使用的有效視覺、非視覺信息和策略，以及相關神經機制。“這個領域仍然有很多問題亟待解決。”李教授說，“我們希望能為這個領域的發展做出重大貢獻。”