发现并证明果蝇视觉具有位置不变性……唐世明

(节选)

中国科学院生物物理研究所唐世明研究员在《2005科学发展报告》中撰文,阐述了他们的新发现。

文章说,视觉不变性是高等动物视觉系统的基本特征之一。视觉不变性在低等动物中一直没有被发现。以往人们认为果蝇的脑很简单,只能按模板匹配识别图形,而不能真正识别图案形状。研究果蝇这类自由运动的生物是否具有视觉不变性有一定的困难。利用飞行模拟器可以训练果蝇识别图形,在飞行模拟器内果蝇的身体包括眼睛都被固定,而所看的视觉目标可以移动,这样可以研究其视觉平移不变性。

在飞行模拟器中,果蝇被固定在一个力矩测量装置上,其翅膀舞动产生的力可以控制一个贴有视觉图案的圆筒绕其转动,就像果蝇在不同图案间飞来飞去一样,使用这一系统可以训练果蝇认识图形。视觉圆筒是水平旋转的,因此可以在垂直方向上移动图案以研究纵向的平移不变性。实验表明果蝇能认出它识别过的 图案,具有视觉平移不变性。

为检测果蝇视觉在水平方向上的平移不变性,研究人员设计了新的实验模式。这一实验中,两个不同的图案被固定在果蝇的左右两边,当果蝇试图转向某个图案时,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是危险的,而较多地转向另一个安全的图案。训练果蝇后,将图案在水平方向移动,甚至左右交换,果蝇仍能区分出危险或安全的图案,这表明其视觉在水平方向上有平移不变性,而且其视觉信息可以在两个脑半球间交流和共享,因此果蝇可以用左眼认出右眼看过的东西。

为实现新的实验设计,唐世明从方法学技术上进行了原始创新,制造了新型飞行模拟器,为该项研究打下方法学基础。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,使得一系列研究工作可以完全地在国内开展。

唐世明研究员最后指出果蝇视觉具有平移不变性,这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,对于视觉神经机制研究及进化论哲学认识上都有着重要的启示。

 中国网 2005年3月8日


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