深圳先進院發現大腦快速防御天敵反應的“簡單”策略
在復雜多變的自然環境中，大腦如何“快速”“簡潔”“精準”地判別天敵信號，產生快速且合適的防御反應是物種得以生存與繁衍的重要前提。中國科學院深圳先進技術研究院王立平團隊近期發現動物大腦快速防御天敵反應的“簡單”策略，在BMC Biology期刊在線發表題為A simple threat-detection strategy in mice的研究論文。助理研究員楊星、劉清晴和博士生鐘金玲為該論文的共同第一作者，王立平研究員為通訊作者。
自然環境中充斥著各種復雜的感覺線索，動物需要基于這些線索做出判斷。一方面，它們需要快速檢測到逼近的天敵，并采取攻擊或逃跑等恰當防御行為來確保自身的安全；另一方面，它們不能對非危險性線索比如飛過的昆蟲做出過度反應，以免白白耗費體力并錯失獲得食物和配偶的機會。這是動物在漫長的進化過程中逐漸形成的本能，對動物的生存和繁衍至關重要。其中，視覺線索是動物快速檢測危險的重要依據。此前研究常用一個逐漸擴大的陰影圓盤來模擬捕食者的攻擊，并成功誘發了小鼠的本能防御反應。這說明在需要快速檢測潛在危險的場合，視覺系統可能會忽略一些細節。那么動物到底基于哪些視覺線索來判斷風險，又有哪些線索是不需要過多關注的呢？
在這項工作中，楊星等人應用自主研發的小動物行為自動檢測系統，給小鼠呈現一系列以不同速度擴大、具有不同大小的圓盤陰影，記錄并量化分析了小鼠由這些視覺刺激引發的行為，包括逃跑（flight）、僵直（freezing）和站立（rearing）等。他們發現，小鼠對圓盤陰影的大小變化和擴大速度的檢測存在一個“警戒范圍”，即大小處于10°至40°,擴大速度在57°/s至320°/s這個范圍內的圓盤陰影更容易引發強烈的逃跑反應。捕食鼠類的猛禽，如黑翅鳶、倉鸮等，它們在捕食過程中的影像基本符合小鼠的“警戒范圍”，而低危險性的視覺線索，如蒼蠅、蜻蜓等昆蟲靠近的影像，則與“警戒范圍”不重合或只有很少的重合。由此推測，“警戒范圍”代表發動攻擊的捕食者所具有的共同視覺特征。
該研究揭示了小鼠檢測捕食者的策略：小鼠基于視覺線索是否處于警戒范圍來做出反應，而不是為不同的天敵“定制”特定的檢測機制，這個簡單的策略有助于小鼠快速且精準地辨識真正的危險。該研究將有助于我們理解大腦處理危險信號的神經機制及其進化意義。
該研究獲得了國家自然科學基金委、中國科學院、廣東省、深圳市等項目的資助。該研究方向也是深圳市科技創新委支持下的深港腦科學創新研究院的研究方向之一。
圖1.陰影圓盤的擴大速度影響小鼠本能逃跑行為
圖2.陰影圓盤的大小影響小鼠本能逃跑行為
圖3.小鼠通過視覺刺激是否處于警戒范圍來判斷危險程度并采用適當的行為反應
