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果蝇看到了什么? 中国科学家揭开昆虫视觉之谜
华夏经纬网   2004-08-25 10:51:58   
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    华夏经纬网825日讯:据新华网报道,在处理视觉信息的机制上,昆虫竟然和高等动物类似,这在科学史上还是第一次得到证明。唐世明说,他们的发现在认识动物的视觉机制上走出了“一小步”。

    如果你认识了一个人,那么无论他穿什么衣服,离你或远或近,甚至没有面对着你,你是否都能把他认出来?

    答案似乎是肯定的。但究竟是什么样的神经活动使人类能够做到这样?

    这个在普通人看来有些“不可理喻”的问题———生物学上将其称为“视觉不变性”,却一直是科学上的难题。

    “人的神经细胞实在太多了,粗略估计,有1010个,目前还找不到一种可行的方法同时监测这么多神经细胞的活动。”中科院生物物理研究所唐世明研究员说。但是,他最近对果蝇视觉的一个重要发现,可能为这方面的研究提供了新的启示。

    果蝇在“飞

    “啪”的一声,唐世明扭开了实验仪器的灯。仪器里,一只身长约1厘米,红眼睛,长触须,浑身黄褐色的小飞虫,在灯光下张开翅膀,“自以为是”地飞起来。

    但这只果蝇并没有真的飞起来。它的脖子被固定在这个特殊仪器的尖端。它的飞行动作通过那里的传感器传递到计算机上。在程序控制下,围绕在它周围的圆形纸筒开始转动。纸筒上画有不同颜色的图形。通过这种操作,可以使果蝇产生在不同图形间“飞来飞去”的感觉。

    唐世明坐回到计算机前。屏幕上出现了曲线,表示果蝇的“飞行”轨迹。它在某个特殊的图形面前几乎不停留,而在另外的图形面前却停留了很长时间。

    “这真是很有趣。”唐世明已经在这套仪器前工作了一年多。“以前从没有人认为,果蝇这种神经结构简单的昆虫,居然能够认识图形,而且还会进行选择。”

    8月13日,美国《科学》杂志发表了以唐世明为第一作者的论文:《果蝇的视觉模式识别具有视网膜位置不变性》。“简单地说,就是果蝇的视觉特征和人类差不多,具有视觉不变性的特点。”

    在处理视觉信息的机制上,昆虫竟然和高等动物类似,这在科学史上还是第一次得到证明。

    30多年前,国外就用果蝇做过相同内容的实验,但结论完全相反:果蝇只能以一种类似“看底片”的方式来处理它所获得的图像。每当它看见一个物体时,便将其“印”在脑中,形成一个“底片”。此后,当它再次看见与这个“底片”完全重叠的物体时,它才会有“似曾相识”的反应。这种重叠,包括颜色、大小和形状完全相同。当然,这是非常原始的处理视觉信息的方式。

    这个结论似乎很符合人类作为高等动物的某种优越心理。长期以来没人怀疑它。

    唐世明对这个结论表示怀疑的理由很简单:“果蝇的神经细胞太少了,大概只有105个,它根本记不住那么多‘底片’,也很难去一一核对。它一定有某种其他的方法。”

    一年多的实验,证明了唐世明的观点:果蝇可以认识并记住某些简单的图形及颜色,无论图形的位置和大小如何变换。

    假设有蓝、绿两种颜色的方块在果蝇的视野里。每当它看蓝色方块时,计算机便会发出红外线,果蝇的头部被“烤”红了;而当它将视线转移到绿色方块时,这种火热的“惩罚”便立即消失。

    唐世明称这个过程为“教育”。没过多久,果蝇就会判断出:那个蓝色的方块是危险的,而绿色的是安全的。因此,它会把更多的时间花在注视绿色方块上,而对蓝色的方块产生某种“恐惧心理”,并不再去注视它。

    时间久了,当“惩罚”条件已经消失后,果蝇仍然会比较专注地看那个“安全”的图形,而对“危险”的置之不理。

    唐世明将图形变得更复杂些。每个图形都由蓝、绿两种颜色组成,一种是蓝色在上,另一种是绿色在上。果蝇是否能识别其区别,并将其记住呢?

    答案是肯定的。

    如果将它记住的图形变换位置,它是否仍能识别,并趋利避害呢?

    结果仍然是肯定的。“不用担心它什么也不看。”唐世明说,“果蝇就是喜欢飞来飞去,然后盯着某个东西看个不停。”

    这已是唐世明在《科学》上发表的第二篇论文。第一篇发表于2001年11月,内容是关于果蝇如何在两难境地中进行选择。

    视觉之谜

    今年33岁的唐世明,出生于四川一个农民家庭。个子不高,很瘦,因此头显得很大。他毕业于北京航空航天大学,本来是研究机器人控制的。他的“转行”缘于一个简单的疑问:如何能让机器人像人一样识别物体,从而形成类似人的意识?“现在的确有很多机器是可以‘看’,但那是依靠程序控制的,依靠人事先输入的信息进行判断。”唐世明说,“假如机器人‘认出’我,并不是它真的看见我并记住了,而是依靠瞳孔扫描、指纹等信息进行的判断。如果事先没有在程序里输入这些信息,无论它看我多少遍,可能也认不出来。”

    原来科学家以为果蝇比机器人高明不了多少,但是,唐世明他们在上万只果蝇身上进行的实验,证明了果蝇并不那么简单,从而修正了30多年来人类在这个问题上对昆虫的“偏见”。

    “形象一点说,动物大脑的演变像一根鱼刺。低等动物的脑功能相当于中间的脊柱,而高等动物渐渐在脊柱的两侧发展出各种各样的刺,形成越来越复杂的功能。”唐世明解释果蝇视觉不变性实验的意义时说,“我们在果蝇身上的发现,相当于找到了这根最初的脊柱。或许我们可以顺着这个思路,找出后来长出的那些刺,从而最终理解人类视觉的大脑机制。”

    实验之余,唐世明几乎也成了果蝇的“心理”研究者。这些喜欢围着烂桃子飞来飞去的小虫子,在他眼里,都具备了一定的智力。

    “那些聪明的非常好教,只惩罚它几次就能记住哪个图形是危险的,而且记得非常牢;傻的就没办法了,被烫晕了,停在那里不知道该怎么办;还有一些记的时间很短,过一会儿就忘了,又得挨烫。”他兴致勃勃地形容这些小生物,激动得一次次把凉鞋脱下来,踩在脚底下,来回扭动自己的头,演示它们在实验中的样子,“还有一些,老是看那个安全的图形,过一会儿就不耐烦了,忍不住飞回来看那个危险的。但只看一眼,立即意识到:不行,这个不能看。马上又飞走了。”

    这个过程如此有趣,以至于唐世明从事音乐工作的妻子也忍不住跑来参与了实验,并成为论文的第三署名作者。

    但唐世明的实验只是证明了低等生物的脑部存在“视觉不变性”的功能,还远远未能解释这种功能依靠什么原理得以实现。

    事实上,他们发现,果蝇虽然可以识别较为复杂的颜色和形状,甚至能够区分两种颜色的重叠,却没有一只能够识别出○与┼这两个简单图形,而如果想让果蝇区分并记住两张人脸,“那它绝对完成不了。一定是每只都被烫晕”,唐世明说,“我们搞不清楚这是为什么。可能与一些脑部深层结构的功能有关。”

    即使目前无法解释这个现象,唐世明仍然认为,他们的结论在认识动物的视觉机制上走出了“一小步”。“如果我们有一天找到了这种视觉机制的根源,马上就可以应用到机器人的研究上。”他似乎更愿意为老本行勾勒美妙的前景,“到那时候,一些目前看来很简单,但也只有依靠人才能做好的工作,都可以让机器人来承担。”

    唐世明多年来学习的自动化知识没有白费,在此次实验中,他自行设计和改进的实验仪器起到重要作用。“不,这项研究似乎不像人们想像的那样,需要特别丰富的生物学知识。我只需根据每个实验的特点,设计合理的可操作的方法,再制造合适的仪器。”他一再强调,“方法,找到一种可操作的方法,对于将来的生物学研究太重要了。”

    至于是否能够真正认识高等动物大脑中的视觉机制,唐世明期待着他下一步对猫的研究会得到更多的结果,但他并不感到乐观。

    “高等动物的神经活动太复杂了,我还没想出能监测这些活动的方法;而这上千亿个神经元之间是如何相互作用的,它们之间的活动代表了什么意义,如何最终形成可记忆的影像……”他似乎要仰天长叹,“可能我一直研究到死,都找不出答案。”

    “可无论如何,我会一直做下去。”唐世明说,“没有特别的原因。只因为这个问题实在是太有趣了。”

 

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