我科学家揭开昆虫视觉之谜

转自：中国科普网 时间：2004年8月26日9:7
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。”
(编辑：河北科普网)