大脑如何判断危险信号？科学家找到了“警告范围”

在复杂多变的自然环境中，大脑如何快速、简洁、准确地判断天敌的信号，并在第一时间产生适当的防御反应，是物种生存和繁衍的重要前提，也是科学家们长期努力解决的难题。

中国科学院深圳先进技术研究所研究员王立平最近在国际学术期刊《BMC生物学》(BMCBerIsis)上发表了一篇关于“动物大脑快速防御天敌的简单策略”的新发现。这项研究揭示，在处理视觉线索时，老鼠大脑中有一个“警告范围”用于检测天敌，这可以快速识别危险信号并引发防御反应。助理研究员杨星、博士生钟金陵为本文的第一作者，研究员王立平为通讯作者。

杨星说，自然环境充满了复杂的感官线索，动物需要根据这些线索做出判断。一方面，他们需要迅速发现逼近的天敌，并采取适当的防御行动，以确保自己的安全；另一方面，它们不能对非危险的线索反应过度，比如飞虫，以免浪费体力和错过获得食物和交配的机会。这是动物在漫长的进化过程中逐渐形成的本能，对动物的生存和繁殖非常重要。

“视觉线索是动物快速发现危险的重要基础。先前的研究使用一个逐渐扩大的阴影圆盘来模拟捕食者的攻击，并成功地诱导了老鼠的本能防御反应。这表明，如果你只根据一些关键的视觉线索进行判断，你可能会忽略一些细节。”杨兴说道。

那么，动物根据什么样的视觉线索来判断风险，什么样的线索不需要太多的关注？在研究过程中，研究团队开发了基于红外触摸屏的小动物行为自动监控系统。通过为老鼠设置视觉刺激，系统记录老鼠遇到视觉刺激时的反应参数。

王立平告诉记者，研究小组的自动检测系统可以记录装置中老鼠的行为数据，如老鼠的大小、位置和相应的时间。根据这些数据，研究小组可以计算出逃逸速度、僵硬时间、站立时间等。数据收集和随后的计算和统计可以通过程序完成。可以说，该系统基本实现了鼠标行为数据采集和分析的自动化。

通过监控系统，研究人员呈现了一系列不同大小、以不同速度扩展的视盘阴影，并记录和定量分析了这些视觉刺激引起的小鼠行为反应，包括逃避、僵硬和站立。该小组发现，在检测盘影的大小变化和扩展速度时存在一个“警告范围”，即盘影的大小在10到40之间，扩展速度在每秒57到320之间，更有可能引发强烈的逃逸反应。

王立平说，基于研究中发现的“警告范围”，在进一步的验证中，研究小组根据老鼠的大小和攻击速度，模拟了仓鸮、蜻蜓和苍蝇等动物对老鼠的视觉刺激。

研究小组发现，捕食老鼠的猛禽(如黑翅风筝和仓鸮)的图像基本上符合老鼠的“警告范围”，而低风险的视觉线索(如昆虫(如苍蝇和蜻蜓)接近的图像)与“警告范围”不一致，或者只是略有重叠。因此，推测“警告范围”代表发起攻击的捕食者的共同视觉特征。

经过一系列实验后，该团队想出了检测老鼠体内捕食者的策略：老鼠根据视觉线索是否在警戒范围内做出反应，而不是针对不同的天敌“定制”特定的检测机制。这个简单的策略帮助老鼠快速准确地识别真正的危险。王立平说，这项研究将有助于理解大脑处理危险信号的神经机制及其进化意义。