科学家首次发现视嗅觉的协同功效

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科学家首次发现视嗅觉的协同功效

国际权威学术期刊《科学》日前发表了中国科学院上海生命科学研究院神经科学所郭建增博士和中科院生物物理研究所郭爱克院士研究果蝇学习与记忆的最新成果：《果蝇跨模态学习的相互作用》。该论文表明：他们首次发现果蝇在视觉和嗅觉不同模态之间的学习与记忆中具有“协同共赢”和“相互传递”的功效。

　　该论文的全部实验和科学发现是以果蝇为模式动物，在精巧的飞行模拟器上完成的。在原有的视觉飞行模拟器上，他们“嫁接”了嗅觉气味调控系统。这是他们在国际上率先在视觉飞行模拟器上，实现了对个体果蝇的嗅觉操作式条件化的实验突破。他们能够在同一台飞行模拟器上，对果蝇个体同时完成视、嗅双模态或分别独立完成单模态的操作式条件化。他们在检测双模态复合记忆获取时，发现二者之间的“弱 弱”联合，竟然能导致跨模态的学习记忆达到1加1大于2的非线性增强，即“协同共赢”的效果，而且还实现了“互利互惠”原则。他们的实验揭示，视、嗅双模态之间的“协同共赢”、“互利互惠”和“相互传递”都对双模态信息输入的时间一致性有严格的要求。

　　这项成果对灵长类和人的更为复杂的多模态信息整合、对人工智能中的“多智能体系统”的“自然计算”、对阐明智力和创造性的本质以及基因—脑—行为之间的关系，均具有重要的理论价值。



      果蝇不仅能够“趋利避害”，还能通过微型脑“举一反三”，这样的“通感”能力过去一直被认为只能存在人类等高等生物中。７月８日，国际权威学术期刊《科学》发表我国科学家的最新研究成果《果蝇跨模态学习的相互作用》，提出：在一定的时间、空间条件下，果蝇在视觉和嗅觉不同模态之间的学习和记忆存在“协同共赢”和“相互传递”。

　　这一成果是中国科学院上海生命科学研究院神经科学研究所郭建增博士和中国科学院上海生命科学研究院神经科学研究所、中科院生物物理研究所郭爱克院士在３年多的时间内，对果蝇的学习与记忆行为研究的最新发现。

　　虽然只有２毫米体长，但是果蝇的基因和人类存在同源性，行为很复杂，加之其基因相对大大简化，代数生存期仅２０多天，因此，是一种很好的模式生物。郭爱克院士表示：通过分析果蝇的基因、脑、行为三者的关系，将可能使神经科学向揭开智力、创造性的诞生奥秘迈出重要的一步。

　　生命体在演化中，被赋予了视觉、听觉、嗅觉、味觉、触觉、痛觉等不同的感知通道，又被称为模态。这些模态就是脑与环境进行信息交换的界面和通路。在残酷的“物竞天择、适者生存”中，多模态感知是生命攸关的。在这些模态的相互作用下，才有了生物体对环境快速、可靠的选择和反应。那么，大脑是怎样综合模态的感觉和记忆信息的呢？这就是当今脑和认知科学的热点问题。

　　郭建增博士和郭爱克院士在国际上率先开展了跨模态的学习与记忆研究，首创在视觉飞行模拟器上，加入了嗅觉操作分析系统：在飞行模拟器圆筒内壁４个９０度象限设置两个高低不同位置的水平条带，以角距离对果蝇进行视觉输入，同时以两种不同气味的浓度进行嗅觉输入。通过睿智的实验设计，实现了同时完成视觉、嗅觉双模态研究的操作，还能够分别独立完成其中任何一个单模态的操作。

　　当视觉和嗅觉模态的输入信息减弱到几乎不可能独自对果蝇产生影响、即不再促发果蝇的学习和记忆效果，这个信息值被设定为阈值。研究人员同时输入接近阈值的视觉和嗅觉模态，发现这种“弱－弱”联合，竟然能够导致果蝇产生学习和记忆后的反应，即“协同共赢”的效果。

　　进一步的研究发现，在上述共学习之后，再分别检验果蝇单模态的记忆获取情况，不论视觉和嗅觉都已经形成了相应的记忆。这表明跨模态之间的记忆不仅实现了“协同共赢”，还产生了“互利互惠”。

　　在对果蝇的深入研究中发现，这个小动物的记忆可以从一种被操作条件化输入的单个模态，向另一种曾经共存、但没有操作条件化的模态传递。反之也成立。

　　这篇论文得到了《科学》匿名审稿人的高度评价。据悉，研究人员将继续探索跨模态记忆协同的脑机制和神经回路，即为什么果蝇会如此“聪明”，期望对揭示灵长类动物和人的更为复杂的整合多模态信息的过程有所贡献，对人工智能中多智能体系统的“自然计算”有所启发。



      一朵美丽的花，光用眼睛看还不够，最好再把鼻子凑上去闻一闻——这样，你脑海中就会留下曼妙的印象。通过对果蝇的最新研究，我国科学家发现：当视觉、嗅觉等全身多个感知器官一起“调动起来”的时候，大脑会产生更加深刻的“烙印”。

      昨天出版的美国权威杂志《科学》以4页篇幅，发表了中科院上海生命科学院神经科学研究所和中科院生物物理所的这一成果。专家认为，该机制将对研究人及高等动物的认知行为有借鉴作用。

      “视觉、听觉、嗅觉、味觉、触觉、痛觉等，是大自然赋予生命体的感觉器官。这些感觉通道并不孤立工作，它们之间既合作竞争，同时也相互抑制，然后由大脑对这些信息加以综合。”主持这项研究的郭建增博士和郭爱克院士解释，通过果蝇实验发现，“多感觉通道”的认知效果，要远远大于“单通道”。

      由此，专家建议：人类在学习和记忆的时候，最好要调动起全身多个感知器官。比如说，背英文单词，看＋大声朗读，可能比默读更有效；而要想牢记一个人，名字、声音、外貌、体味等叠加起来的多维印象，也比单个特征更容易记忆。

      目前，郭爱克院士领导的实验室正在果蝇的“认知世界”继续探索。他告诉记者：随着这一研究的深化，科学家期望逐渐了解智力和创造性的本质，以及基因－脑－行为之间的关系。这一成果对人工智能也将有所启发。



      果蝇的“多通道”学习

      小小果蝇成为此次科学家的研究目标：虽然身长只有2毫米，但它们拥有一双大大的“复眼”，以及一对灵敏的嗅觉触角。郭建增、郭爱克为果蝇设计了一个世界上绝无仅有的“飞行模拟器”，使它同时面对彩色图形和气味两个“冲击波”。

      结果发现：在十分微弱的图像和气味信号条件下，视觉与嗅觉“协同作战”，可能达到1＋1>2的“共赢效果”——果蝇的学习记忆得到加强，其“成绩”比光看、光闻都要好。此外，在同一时空条件下，视觉和嗅觉两个“感觉通道”彼此还能互利互惠，并相互记忆传递信息。

      《科学》杂志审稿人认为，“这些发现新颖而有趣……这是神经科学的热点问题，必将会引起读者的广泛兴趣。”



      7月8日，国际权威学术期刊《科学》发表了中国科学院上海生命科学研究院神经科学研究所郭建增博士和中科院上海生科院神经科学研究所、中科院生物物理研究所郭爱克院士研究的果蝇学习与记忆的最新成果：《果蝇跨模态学习的相互作用》。该论文首次发现，在一定的时间和空间条件下，果蝇在视觉和嗅觉不同模态之间，具有学习与记忆的协同双赢和相互传递的功能。

　　该研究以果蝇为模式动物，在精巧的飞行模拟器———标有两个高低不同位置，输入浓度不同气味的圆筒内，同时完成对果蝇视嗅双模态的实验。研究者“嫁接”了嗅觉气味调控系统，率先在视觉飞行模拟器上，实现对个体果蝇的嗅觉操作式条件化的实验突破。

　　研究者发现将单独的视觉和嗅觉模态的输入信息衰减到几乎不再能引起果蝇的学习与记忆效果时，在时间和空间同步条件下，将这两个接近阈值的模态信息提供给单只果蝇，检测发现两者之间的“弱—弱”联合，竟然能导致跨模态的新的增强了的学习记忆，即“协同共赢”的效果。他们进一步发现，在接近阈值状态下的视嗅双模态同步呈现和共操作条件化之后，此时再来分别独立检验视觉或嗅觉单模态的记忆获取时，视嗅各自都形成了有统计意义的记忆。这表明视嗅双模态之间的记忆不仅实现了“协同双赢”，而且还实现了“互利互惠”原则。他们还发现，记忆可以在特定的范式下跨模态地相互传递，能够从一种（如视觉）向另外一种模态（如嗅觉）传递。

　　该论文审稿人称“这些发现新颖而有趣，实验设计完成得巧妙，简洁而逻辑清晰”，“实验完成的彻底，甚至感觉到它超出了对该项研究所能的预期”。

　　郭爱克院士领导的课题组期望能对灵长类和人的更为复杂的多模态信息整合有所借鉴，对阐明智力和创造性的本质，以及基因—脑—行为之间的关系有所发展。