5亿年前的“脑雷达”仍在影响你的视觉

研究人员发现，所有脊椎动物共有的一种古老系统能够独立产生中心-周边相互作用——这是一种核心视觉过程，有助于检测环境中的边缘、对比度和引人注意的细节。西班牙国家研究委员会（CSIC）与埃尔切米格尔·埃尔南德斯大学（UMH）联合成立的神经科学研究所（IN）视觉与行动神经回路实验室主任安德烈亚斯·卡尔达马基斯解释道：“数十年来，人们一直认为这些视觉计算仅由视觉皮层完成，但我们已证明，从进化角度看更为古老的结构——上丘，也能自主执行这些计算。这意味着分析所见事物并决定何为关注点的能力并非人类大脑的近期发明，而是一种出现于5亿多年前的机制。”

大脑中关乎重要事物的古老“雷达”
上丘的作用就像内置雷达，在大脑皮层接收信号前直接接收来自视网膜的信号，帮助确定视觉场景中哪些部分最为重要。当有物体移动、闪烁或突然进入视野时，这一结构会首先做出反应，引导眼睛看向新的刺激物。

为探究这一过程如何展开，研究团队结合了模式化光遗传学、电生理学和计算建模等先进工具。通过用光激活特定视网膜通路并记录小鼠脑切片中的反应，他们发现，当周边区域活跃时，上丘会抑制中央视觉信号——这是中心-周边加工的典型特征。这种效应得到了细胞类型特异性映射和大规模计算机模拟的支持。

论文共同第一作者宋奎松（音译）表示：“我们发现上丘不仅传递视觉信息，还会主动对其进行处理和过滤，减少对均匀刺激的反应并增强对比度。这表明选择或优先处理视觉信息的能力嵌入在大脑最古老的皮层下回路中。”这些结果表明，引导注意力的机制深深植根于古老的脑结构中，远早于高级皮层区域的进化。

进化根源与认知意义
这些发现挑战了复杂视觉加工仅发生在皮层的传统观点。相反，它们支持一种层级模型，即古老的脑结构处理对生存至关重要的基本计算，如检测威胁、追踪运动或躲避障碍物。

卡尔达马基斯指出：“了解这些原始结构如何助力视觉注意力，也有助于我们理解当这些机制失效时会发生什么。注意力缺陷、感觉过敏或某些形式的创伤性脑损伤等疾病，可能部分源于皮层通讯与这些基础回路之间的失衡。”

研究团队目前正将工作扩展到活体动物模型，以研究上丘在目标导向行为中如何塑造注意力并控制干扰。通过了解视觉干扰如何转化为行动，科学家希望揭示注意力的神经基础及其在视觉过载常见的现代生活中的功能障碍机制。

国际合作
这项研究是卡罗林斯卡研究所、瑞典皇家理工学院（瑞典）与麻省理工学院（美国）的大规模合作成果。西班牙国家研究委员会-米格尔·埃尔南德斯大学神经科学研究所的研究员特雷莎·费梅尼亚也参与其中，为实验工作的开展发挥了关键作用。

基于这些发现，安德烈亚斯·卡尔达马基斯和乔瓦尼·乌塞格利奥为《神经系统进化》新系列丛书（爱思唯尔出版社，2025年，JH卡斯主编）撰写了一个章节。他们的研究拓宽了进化视角，对比了不同物种的皮层下视觉系统，发现鱼类、两栖动物、爬行动物、鸟类和哺乳动物体内与上丘类似的结构具有共同作用：整合感觉和运动信息以引导注视和注意力。

这种保守了5亿多年的古老脑结构，成为后来皮层进化出高级认知功能的基础。“进化并未取代这些古老系统，而是在其基础上进行构建，”卡尔达马基斯解释道，“我们仍然依靠相同的基础‘硬件’来决定看向何处以及忽略什么。”

这项工作得到了西班牙国家研究署（西班牙科学、创新与大学部）、塞韦罗·奥乔亚卓越中心计划、瓦伦西亚自治区CIDEGENT计划、瑞典研究委员会、瑞典脑基金会以及奥莱·恩奎斯特基金会的支持。