來源：【中國科學(xué)院】

兩百多萬年前，人類的祖先誕生于地球，歷經(jīng)漫長(zhǎng)的演化，適應(yīng)地球環(huán)境，繁衍生息。然而，人類探索的腳步從未停息。隨著載人航天技術(shù)的發(fā)展，人類文明正從地球走向太空，對(duì)浩瀚宇宙的探索從科幻小說走向了現(xiàn)實(shí)。

近年來，中國載人航天科技取得了長(zhǎng)足進(jìn)展。有朝一日，星際旅行或成為可能。而在此之前，闡明離開地球環(huán)境對(duì)人的生理及腦認(rèn)知功能的影響，進(jìn)而幫助人們更好地適應(yīng)太空環(huán)境，是科學(xué)家需要解決的核心問題。在太空中，受失重影響，包括肌肉、骨骼、心血管在內(nèi)的生理系統(tǒng)會(huì)發(fā)生顯著改變，以往研究在此方面已累積了較多成果。相比之下，失重對(duì)人類的認(rèn)知加工以及腦功能產(chǎn)生的影響在很大程度上仍是未知。

中國科學(xué)院心理研究所腦與認(rèn)知科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室蔣毅研究組與中國航天員科研訓(xùn)練中心人因工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室合作，借助載人航天與-6 頭低位臥床模擬失重等技術(shù)（圖1），探究了微重力條件下人類視知覺的變化規(guī)律及其機(jī)理，揭示了地球重力環(huán)境在塑造人類視知覺功能中的關(guān)鍵作用。

該研究聚焦于人類對(duì)視覺生物運(yùn)動(dòng)的加工。在地球上，生命體的運(yùn)動(dòng)受到地球重力的制約。而人類對(duì)符合重力作用的生物運(yùn)動(dòng)具有特殊的敏感性，表現(xiàn)為僅依靠幾個(gè)附著于運(yùn)動(dòng)生物關(guān)節(jié)上的光點(diǎn)，就能探測(cè)到生命體的存在，并從中提取與生存及社會(huì)交互相關(guān)的信息；當(dāng)光點(diǎn)生物運(yùn)動(dòng)刺激倒置呈現(xiàn)，其運(yùn)動(dòng)模式不再符合重力作用的影響時(shí)，人們對(duì)其的感知會(huì)顯著變差。有研究表明，上述倒置效應(yīng)主要取決于生物運(yùn)動(dòng)中包含的重力加速度線索。這種由視覺重力線索驅(qū)動(dòng)的朝向特異的知覺敏感性可能反映了生命體在地球重力環(huán)境中發(fā)展出的一種適應(yīng)性機(jī)制，具有進(jìn)化意義。然而，這種知覺敏感性究竟緣何而來？地球重力在其中扮演了何種角色？這些重要的科學(xué)問題尚未得到很好的解答。

關(guān)于這些問題，存在兩種不同的假設(shè)。假設(shè)之一是人們對(duì)正立生物運(yùn)動(dòng)相對(duì)于倒立刺激的知覺優(yōu)勢(shì)完全源自我們的視覺經(jīng)驗(yàn)，正如人們通過長(zhǎng)期觀察學(xué)習(xí)，獲得了對(duì)正立面孔相對(duì)于倒立面孔的知覺優(yōu)勢(shì)。而另一種假設(shè)則與地球重力有關(guān)，即由于我們自身始終處于地球重力場(chǎng)，大腦前庭系統(tǒng)可以利用身體接收的重力信號(hào)估計(jì)重力的方向，這種實(shí)時(shí)的計(jì)算有可能為視覺重力加速度的加工提供便利，從而塑造了視覺生物運(yùn)動(dòng)知覺的朝向依賴性。

該研究成果支持了后一種假設(shè)。通過航天實(shí)驗(yàn)，研究發(fā)現(xiàn)暴露于太空失重環(huán)境約一周之后，航天員生物運(yùn)動(dòng)知覺的倒置效應(yīng)顯著降低，且該效應(yīng)在個(gè)體間具有高度的一致性（圖2a、b），提示地球重力環(huán)境對(duì)于維持人類對(duì)生物運(yùn)動(dòng)信息的朝向特異敏感性至關(guān)重要。為了進(jìn)一步檢驗(yàn)上述效應(yīng)是由失重還是其他非重力因素（如航天實(shí)驗(yàn)環(huán)境和練習(xí)效應(yīng)）引起，研究開展了兩個(gè)控制實(shí)驗(yàn)。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在正常地球重力條件下，不論個(gè)體是在模擬航天任務(wù)的幽閉環(huán)境中反復(fù)進(jìn)行生物運(yùn)動(dòng)知覺測(cè)試，還是在實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行多次測(cè)試，均不會(huì)表現(xiàn)出生物運(yùn)動(dòng)知覺倒置效應(yīng)的減弱（圖2c、d），從而支持太空失重、而非重力無關(guān)因素決定了航天實(shí)驗(yàn)的結(jié)果。

為驗(yàn)證航天實(shí)驗(yàn)的發(fā)現(xiàn)，并探究失重帶來的生物運(yùn)動(dòng)知覺變化背后的神經(jīng)機(jī)制，研究開展了一個(gè)在地模擬失重實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)采用-6 頭低位臥床方法模擬航天對(duì)人的影響，該方法被證明可以誘發(fā)類似于失重狀態(tài)下的生理及前庭響應(yīng)改變。45天頭低位臥床實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生了和航天實(shí)驗(yàn)類似的行為影響，即生物運(yùn)動(dòng)知覺倒置效應(yīng)在頭低位臥床期間逐漸減弱，并最終降至顯著低于前測(cè)的水平。同時(shí)，研究還測(cè)量了面孔知覺倒置效應(yīng)，發(fā)現(xiàn)其并不隨頭低位臥床時(shí)間增長(zhǎng)而減弱，說明生物運(yùn)動(dòng)知覺的改變可能源于運(yùn)動(dòng)而非形狀信息加工受前庭響應(yīng)改變的影響。

在頭低位臥床模擬失重前后，研究還利用功能磁共振成像技術(shù)掃描了受試者的神經(jīng)活動(dòng)。在前測(cè)中，大腦中特異于生物運(yùn)動(dòng)加工的pSTS腦區(qū)表現(xiàn)出對(duì)生物運(yùn)動(dòng)刺激的朝向依賴性響應(yīng)（神經(jīng)水平的倒置效應(yīng)），而該效應(yīng)在后測(cè)中顯著下降，且上述改變無法由簡(jiǎn)單運(yùn)動(dòng)或靜態(tài)身體形狀刺激誘發(fā)的神經(jīng)響應(yīng)所解釋（圖3a）。作為對(duì)照，負(fù)責(zé)面孔加工的FFA腦區(qū)在前測(cè)中表現(xiàn)出對(duì)面孔刺激的朝向依賴性響應(yīng)，但該效應(yīng)在后測(cè)中并未發(fā)生改變；此外，加工房屋刺激的PPA腦區(qū)對(duì)正倒立房屋刺激的相對(duì)響應(yīng)強(qiáng)度也未在前后測(cè)中表現(xiàn)出差異。這些結(jié)果排除了頭低位臥床本身改變一般性靜態(tài)物體表征的可能性，說明模擬失重特異性地改變了生物運(yùn)動(dòng)信息的朝向特異性視覺加工。靜息態(tài)功能連接分析進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)，pSTS與腦島后部區(qū)域的功能連接在后測(cè)顯著增強(qiáng)；該連接增強(qiáng)幅度可預(yù)測(cè)行為水平生物運(yùn)動(dòng)知覺倒置效應(yīng)的減少幅度（圖3b）。后腦島作為前庭系統(tǒng)的核心腦區(qū)，已被發(fā)現(xiàn)與前庭和視覺重力信息加工及內(nèi)部重力模型的存儲(chǔ)有關(guān)，因而上述結(jié)果有力支持了前庭重力計(jì)算參與視覺生物運(yùn)動(dòng)信息朝向特異性加工的假說。

該研究使人們更深入地了解地球重力環(huán)境之于人類認(rèn)知功能的意義：地心引力影響我們自身的活動(dòng)，并通過施加于身體的重力信號(hào)影響我們對(duì)包含重力加速度線索的其他生命體運(yùn)動(dòng)的加工，從而塑造了人腦對(duì)符合地球重力作用的視覺生物運(yùn)動(dòng)特異的敏感性。在機(jī)制方面，上述過程可能有賴于大腦對(duì)前庭（自身）及視覺系統(tǒng)（他人）傳遞的重力信號(hào)的整合及利用。在地球環(huán)境中，這種整合機(jī)制有助于人類有效地探測(cè)和知覺地球上的生命體。而當(dāng)擺脫地心引力的束縛時(shí)，人類或可通過重新調(diào)校前庭視覺交互及相應(yīng)的內(nèi)部重力計(jì)算模型，提升對(duì)不同重力狀態(tài)下生命信息的探測(cè)能力，以便更好地適應(yīng)太空環(huán)境。這些發(fā)現(xiàn)為進(jìn)一步探究不同重力條件下人腦的可塑性奠定了基礎(chǔ)，并有望為未來人類探索深空、踏上登月之旅提供幫助。

相關(guān)研究成果發(fā)表在《自然-通訊》（Nature Communications）上。

論文鏈接

圖1.研究方案示意圖（Spaceflight：航天實(shí)驗(yàn)；Control：地面控制實(shí)驗(yàn)；HDTBR：頭低位臥床模擬失重實(shí)驗(yàn)）

圖2.航天實(shí)驗(yàn)及地面控制實(shí)驗(yàn)的流程和結(jié)果

圖3.頭低位臥床前后功能磁共振成像實(shí)驗(yàn)結(jié)果

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