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《果蝇看到了什么? 我科学家揭开昆虫视觉之谜》
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.
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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