心理所合作研究揭示生物运动早期视觉加工中的跨物种神经机制

对人类和动物而言，从复杂的视觉环境中迅速检测其他生物体的运动是一项重要的视觉加工能力，这种能力有助于捕猎、躲避天敌和社会交互等多种生存行为。实验研究中通常采用一种被称为生物运动（biological motion）的简单光点动画来刻画人或动物的运动信息（图1a-b），从而有针对性地开展相关视觉加工机制研究。大部分脊椎动物均对生物运动信息有着很好的视觉加工能力，且该能力在包括人类在内的多个物种中均发现具有先天性。这意味着这一能力理应存在跨物种的神经基础。

中国科学院心理研究所蒋毅研究组和中国科学院生物物理研究所刘宁研究组、张朋研究组合作开展了一项创新性的跨物种研究，借助高场强（3T）和超高场强（7T）功能性磁共振成像（functional magnetic resonance imaging, fMRI）技术考察人类和猕猴的上丘（superior colliculus）在生物运动视觉加工中的作用。上丘是一个直接接收视网膜传入信号的脑核团，可进行早期视觉加工，它位于哺乳动物中脑，非哺乳动物则有其同源结构视顶盖。研究者记录了人和猕猴观看局部生物运动信息时上丘的反应，发现生物运动在人类和猕猴上丘均引起了比控制条件更强的神经激活（图1c-e）。

图1 (a-b)生物运动示意图；（c-d）人类上丘对生物运动的响应；（e）猕猴上丘对生物运动的响应

考虑到上丘由多层不同细胞构成，其中接收视网膜传入信号的是浅层细胞，研究者又进一步将人类上丘中采集的信号按照与表面的距离进行了细分，发现生物运动信息引起的特异性神经激活在上丘表层最强，而随着深度增加逐渐减弱直至消失（图2）。

图2 （a）人类上丘在7T影像中的分层示例；（b）人类上丘响应随分层变化结果

研究者进一步采用动态因果建模（dynamic causal modeling, DCM）方法考察人类上丘与大脑中其他加工生物运动信息的脑区之间的关系。分析结果揭示出一条生物运动信息视觉传输的功能连接通路，从上丘出发，经过中颞叶视觉区（middle temporal visual complex, MT+），直至后颞上沟（posterior superior temporal sulcus, pSTS；图3）。

图3 动态因果建模分析揭示生物运动视觉传输功能连接通路

综上所述，该研究发现了上丘加工生物运动信息的跨物种神经机制，表明在视觉加工的早期阶段就已经进行了生物运动加工。

该研究得到了科技创新2030-“脑科学与类脑研究”重大项目（2021ZD0203800、2021ZD0200200、2021ZD0204200）、国家自然科学基金（32430043、31830037）、中国科学院创新交叉团队（JCTD-2021-06）以及中央高校基本科研业务费专项资金资助的支持。

研究成果近期在线发表于Nature Communications。心理所助理研究员鲁溪芊、博士研究生胡召起（已毕业）和生物物理所博士后辛雨萌为论文共同第一作者，心理所蒋毅研究员和生物物理所刘宁研究员为论文共同通讯作者，生物物理所博士研究生杨天舒（已毕业）、心理所王莹青年特聘研究员、生物物理所张朋研究员为论文共同作者。

论文信息：

Lu, X., Hu, Z., Xin, Y. et al. Detecting biological motion signals in human and monkey superior colliculus: a subcortical-cortical pathway for biological motion perception. Nat Commun15, 9606 (2024). https://doi.org/10.1038/s41467-024-53968-x