科學家解密大腦如何區分自我與外部運動

神經科學家終於揭開了大腦如何區分外部環境中的視覺運動與觀察者自身運動的奧秘。這個被稱為「運動來源分離問題」的挑戰，長期以來一直困擾著研究人員。如今，科學家首次揭示了這項區分背後的精確機制。

一項發表在《Cell》期刊上的研究，詳細介紹了倫敦大學學院（UCL）Sainsbury Wellcome Centre（SWC）的研究人員如何開發出一種創新的實驗方法，來分離運動的關鍵組成部分。研究結果顯示，小鼠初級視覺皮層中的個別細胞會整合運動和前庭訊號，以判斷視網膜視覺流是來自外部運動還是動物自身的運動。

「我們每天都理所當然地知道是我們在移動，還是周圍的物體在移動。但沒有人知道大腦是如何做到這一點的。我們希望設計一個實驗來解決這個運動分離問題。」SWC的副所長兼該研究的首席作者Troy Margrie教授表示。

研究團隊與SWC FabLab的工程師合作，開發了一種名為「Translocator」的獨特新系統。這個實驗裝置包括一個被動跑步機，小鼠可以選擇在上面奔跑，同時觀看顯示虛擬移動走廊的螢幕。整個跑步機裝置也會沿著軌道向前移動，並與小鼠選擇的奔跑速度同步。

「我們基於虛擬現實裝置的原理，讓動物在跑步機上奔跑，同時顯示與其運動相關的視覺流。但除此之外，我們還增加了向前方向的平移，使動物能夠根據自己的奔跑速度實際體驗運動（即從A點移動到B點）。這就是我們稱之為Translocator的原因。」SWC Margrie實驗室的高階研究員兼該論文的第一作者Mateo Velez-Fort博士解釋道。

這個實驗裝置讓團隊能夠分離運動的基本元素。例如，研究人員記錄了小鼠主動奔跑1.2米的速度曲線。然後，他們將動物放回起點，並在阻止跑步機的情況下重播相同的速度，這樣小鼠就被動移動而不是主動移動。這讓團隊能夠獲得一個與結合奔跑和前庭訊號相同的純前庭訊號。

科學家們還透過讓小鼠在跑步機上奔跑，同時保持整個裝置靜止，獲得了純運動訊號，這樣小鼠就不會被平移。「Translocator裝置讓我們能夠獲得純運動訊號、純前庭訊號以及結合的運動和前庭訊號。這意味著我們首次能夠將這些東西分開。」Margrie教授解釋道。

使用Neuropixels探針（一種用於同時神經記錄的尖端電極），研究人員從初級視覺皮層記錄並觀察到大約50%的細胞，特別是深層5/6層的細胞，對視覺流、奔跑和平移有反應。

「我們想知道這種輸入的匯聚是否是大腦皮層的普遍規則，因此我們還記錄了其他區域，包括在黑暗中的體感皮層和後扣帶皮層。我們發現運動和前庭訊號在大腦的許多地方匯聚，因此這似乎是許多皮層區域組織的基本特性。」Velez-Fort博士解釋道。

以往認為，感覺表徵必須被傳送到大腦的其他部分，以與用於導航的內部線索整合。相比之下，SWC的研究人員發現，皮層中的初級感覺區域能夠立即獲取動物的內部運動狀態。

令人驚訝的是，團隊還發現，初級視覺皮層神經元在自然和非自然情境下記錄的活動非常相似。當動物奔跑並被平移時，觀察到的神經活動量與小鼠奔跑但未被平移時相同。這讓研究人員提出，奔跑必須抑制平移輸入。他們使用與Claudia Clopath教授合作開發的數學模型測試了這一理論，並發現該模型支援這一現象。該模型還預測，如果奔跑速度與頭部的實際速度不一致，前庭通路會發出錯誤訊號。這一預測隨後透過額外的實驗得到了驗證。

這項研究表明，包括初級感覺區域在內的許多皮層區域不斷被更新，並接收來自其他模態的反饋。在前庭系統的情況下，它用於生成一個線上的內部參考框架，以提供有關觀察者運動狀態的背景。

參考文獻：Motor and vestibular signals in the visual cortex permit the separation of self versus externally generated visual motion by Mateo Vélez-Fort, Lee Cossell, Laura Porta, Claudia Clopath and Troy W. Margrie, 19 February 2025, Cell.DOI: 10.1016/j.cell.2025.01.032

這項研究由Sainsbury Wellcome Centre核心資助，來自Gatsby慈善基金會（GAT3361）和Wellcome（219627/Z/19/Z）以及Wellcome Trust Discovery資助（214333/Z/18/Z）。