《科学》：我国学者在昆虫视觉神经机制研究取得新突破

中国科学院(生物物理研究所) ： 一篇以中国科学院生物物理研究所为第一通讯联系单位，以该所年仅33岁的青年科学家唐世明为通讯作者和第一作者的题为“果蝇的视觉模式识别具有视网膜位置不变性”的论文发表在8月13日出版的第305期美国《科学》杂志上。据悉，该项研究发现和证明了果蝇的视觉具有位置不变性，这一研究成果改变了人们以往对昆虫视觉的理解，表明果蝇脑具有复杂的视觉信息处理机制，使昆虫视觉与脊椎动物视觉在认知层面上统一起来。

人们普遍认为，生物的视觉不变性包括同样的图案出现在视野的不同位置仍能被识别即位置不变性(或称平移不变性)，图案按比例缩放后仍能被识别即大小不变性，图案旋转一定角度后仍能被识别即旋转不变性等。高等动物特别是人具有视觉不变性，这是视觉最基本的特征之一，但是这种重要的生物特性在低等动物中没有被发现。以前人们认为果蝇的脑简单，只能按模板匹配识别图形，如果遇到同样目标、位置稍微变一点就认不出来了，相关研究也认为蚂蚁用左眼不能认出右眼看过的东西。中科院生物物理研究所唐世明组取得的该项研究成果改变了这一说法，发现果蝇视觉具有平移不变性，或者说果蝇也是按图形的特征进行识别的，而非以前人们认为的按样板进行比对，这一成果对于视觉神经机制研究及进化论哲学认识上都有重要的启示。

由生物物理研究所唐世明研究组为主与德国同行合作完成的该项研究，使用飞行器模拟器检测果蝇的视觉模式识别能力，果蝇的身体包括眼睛都被固定在一个力矩测量装置上，果蝇虽然不能飞走，但所看的视觉目标可以受果蝇飞行扭矩的控制移动，就像果蝇在不同图形间飞来飞去一样，实验中，当果蝇试图转向某个图形时，身体会受到热惩罚，经过一段时间训练，果蝇就知道其中某个图形是危险的，而较多地转向另一个安全的图形。严密的逻辑思维和巧妙实验设计是突破果蝇视觉不变性研究的关键，该项研究首先从逻辑上推论，以往研究中使用T与⊥这样的图形，其重心差别将干扰纵向平移不变性的检测，因此必须使用系列不具重心差别的图案，或在训练中只给果蝇看静止的图形。使用如不同长度的线段、±45o倾斜的线条、蓝色与绿色的方块这样的新图案训练果蝇后，将图形在纵向或水平方向移动或甚至左右交换，发现果蝇仍能区分出危险或安全的图形，从而证明了果蝇的视觉具有平移不变性，而且其视觉信息可以在两个脑半球间交流和共享。该项研究还显示了果蝇能识别蓝色方块在绿色方块之上，以及“<”与“>”这样组合图案，并且同样具有平移不变性，利用这种识别机制能解释昆虫所具有的丰富和复杂的图形识别能力。该项研究工作在生物物理研究所自行研制的仪器(新型飞行模拟器)上完成，这种原创性的仪器研制和新实验模式的提出都为该项研究打下了方法学基础。同时这些具有自主知识产权的发明，也打破了德国人对该项技术的垄断，使得我国在该领域中的系列研究工作得以在国内完全独立的开展。

视觉不变性既平凡而又重要，其背后隐藏深奥的神经机制，目前人们还不能从本质上解释视觉不变性，这成为理解脑最主要的障碍之一。视觉不变性的神经机制研究将揭示概念如何形成、如何存储，有了概念才有思维和内心世界的构建，因而视觉不变性研究将是理解脑之智慧的关键和切入点。

据悉，这篇论文的第一作者——唐世明研究员毕业于北京航空航天大学，1998年来到生物物理所郭爱克实验室工作，从事神经科学的研究。全国人大常委会副委员长、中国科学院路甬祥在得知他在“视觉不变性”问题研究取得重要进展后，立即作出批示，对他所做的工作给予了充分肯定，对他所取得的成绩表示热烈祝贺，并称赞：“土生土长”的博士一样可以做出一流的成果。

2004.08.16

中国科学院网