科学家首次发现视嗅觉的协同功效


编者按

        国际权威学术期刊《科学》近日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》。这是由郭爱克领导的学习记忆实验室再度以全本土研究工作在《科学》上发表论文，向人们讲述果蝇在视觉和嗅觉不同模态的学习与记忆之间的协同双赢和相互传递的故事。约4年前，中科院神经科学研究所唐世明和郭爱克在《科学》上，曾发表《果蝇面临视觉冲突线索时的选择行为》的科学论文，它曾是中国神经科学工作者，以完整的国内研究工作，在《科学》杂志上实现的“零”的突破(见《科学时报》2001.11.24《果蝇抉择的新探索》)。

        2001年11月，我们的学习记忆实验室，曾在国际上首次向人们讲述了果蝇面对矛盾的视觉线索时如何作出两难抉择的故事，它告诉人们，基于脑内的“价值系统”的抉择行为，也许不应被看作是人类或非人灵长类的“专利”。

        从果蝇的面对冲突的“两难抉择”到学习记忆的跨模态“协同双赢”，我们大约又走过了3年的研究历程。这是果蝇的“认知世界”里的又一个十分有趣的故事。它告诉我们，在一定的时空条件下，果蝇的视觉和嗅觉两个模态的学习记忆之间，可以通过协同机制达到非线性的放大，而不是对两个模态的各自的学习记忆作简单的线性叠加。这篇论文得到了两位匿名审稿人极正面的评价，一位强调说：“脑内信息处理的跨模态的相互作用，特别是学习/记忆的跨模态相互作用是神经科学的热点问题，这篇论文将会引起广泛读者的兴趣”，“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”，另一位审稿人称，“实验完成得彻底，我甚至感觉到它超出了我对该项研究所能预期的”。

        那么，我们的论文究竟能告诉人们什么呢？它的科学意义在哪里？果蝇能做什么，与我们有什么关系？这要从什么是跨模态说起。我们生命体在演化的历史长河中，被“武装”了视觉、听觉、嗅觉、味觉、触觉、痛觉等不同的感知觉通道或称作模态。这些模态就是我们脑与环境进行信息交换的界面和通道，使我们能感知到大自然的气象万千、鸟语花香、莺歌燕舞、电闪雷鸣，还有美食家的“色香味”。在残酷的“物竞天择，适者生存”中，多模态信息感知和处理是快速作出正确反应和抉择的需要，也是发展概念和认知的需要，是生命攸关的。显然，这些感觉通道或模态，不应该是孤立地工作的，它们之间必定有合作竞争，也存在相互抑制。这就是神经科学界常讲的跨模态信息的“整合”、“传递”、“捆绑”、“协同”等，已成为脑的高级认知功能研究的热点科学问题。科学家采用脑功能核磁成像的研究发现，视觉模式和嗅觉气味的信息加工可以是相互促进的，如看到的是汽车和闻到汽油的味道，由于这双模态的输入信息在语义上是“会聚”的，相关脑区被激活的程度就要比单独模态加强；反过来如看到的是汽车和闻到奶酪的味道，这两通道的输入是“发散”的，相关脑区的活动就比模态“会聚”时要减弱许多。当今，脑的跨模态信息相互作用的研究，还较多地停留在跨模态感知层面上。

        人们清楚地知道果蝇有非常精细的视觉系统和高灵敏的嗅觉系统。在国际上，对于视觉联想式记忆的研究主要以德国的海森堡（Heisenberg）实验室为代表，在视觉飞行模拟器上，对果蝇进行视觉操作式条件化的“单兵教练”。另一方面，在国际上果蝇的嗅觉学习记忆实验室，则以美国冷泉港的图莱（Tully）的实验室为代表。他们用T—迷宫实验（T-Maze）系统， 对果蝇进行群体的巴甫洛夫式的经典嗅觉条件化。但是，上述的两种实验范式是不能简单地“嫁接”到一起的：一个是个体果蝇实验，另一个则是群体实验；一个是操作式条件化，另一个是经典的；一个是“认识世界”——因果关系；另一个是“改造世界”——躲避惩罚。多少年来，果蝇的视觉和嗅觉学习也从来未“碰”到一起，“井水不犯河水”。

        要探索视嗅双模态相互作用，就必定“井水犯河水”。它的重要前提条件就是视嗅觉两个通道的学习/记忆是否可以各自独立地或同时地在飞行模拟器上实现。在经典的视觉飞行模拟器上，我们“嫁接”了气味调控系统和温控系统。在国际上我们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:在飞行模拟器上，训练单只果蝇记住两种不同的气味A与B所分别代表的飞行方向，哪种气味所代表的飞行方向是“危险”的，即会受到惩罚，哪种气味所代表的飞行方向是“安全”的， 即不会受到惩罚。气味A与B的浓度可连续调控。这样一来， 嗅觉气味A/B的出现就与视觉图形上/下条纹相搭配，视嗅二者可以是同步的，也可以是各自独立的。

        我们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单模态的学习/记忆效果，并将其定义为视觉和嗅觉阈值。视觉阈值为白色上/下水平条带的最小垂直角距离，嗅觉阈值为气味A与B的最低浓度。当我们将接近阈值的视、嗅两个模态的输入信息，同步地提供给单只果蝇，实施双模态共操作条件化时，发现二者之间的“弱—弱”联合，竟然能导致跨模态的学习记忆的非线性放大，达到了（1＋1>2）非线性的“协同共赢”的增强效果。

        于是，我们进一步问道，视觉和嗅觉的每个模态单独的记忆是否也可能从协同中得到了好处呢？对照组实验明白无误地表明，在接近阈值的单模态操作条件化训练实验是不会导致有统计意义的记忆生成的。但是，令人十分惊讶的是，在接近阈值的双模态信息同步呈现的双模态共操作条件化之后，再来分别检验单模态的记忆获取时，视觉和嗅觉记忆各自都形成了有统计意义的记忆。这表明双模态之间的共记忆不仅实现了“协同共赢”，而且彼此之间还实现了“互利互惠”原则。

        我们接着问，在两个模态之间，记忆是否可以传递呢？即从其中被操作条件化的单个模态，向另外的一个未经训练的但先前曾与条件化模态一度共存的模态传递呢？在飞行模拟器上，同时提供给个体果蝇高于阈值的气味A/B和视觉图形上/下白色条带，让单只果蝇在这样的视/嗅模态共存的环境中，经历16分钟不受热激（红外光热惩罚）的定点飞行，然后立刻训练10分钟使其将视觉模态与热激联系，但是在记忆检验阶段，不去检验视觉记忆，而是检验未经条件化的嗅觉模态的记忆，结果发现嗅觉模态的记忆也生成了。这就是说，在上述“操作条件化—非操作条件化”的传递的范式中，记忆信息可以从被条件化的视觉模态向未被条件化的嗅觉模态发生传递。反过来，我们同样证明了记忆信息可以从被条件化的嗅觉模态向未被条件化的视觉模态发生传递。我们的实验还严格证明了，视/嗅双模态之间的“协同共赢”、“互利互惠”和“相互传递”都对视嗅双模态信息输入的时间一致性有严格的要求。

        人们会问，这样的研究有什么重要性呢？果蝇毕竟是果蝇，人是人呀！

        首先，果蝇是一种重要的模式生物，人们对它的研究已经一而再、再而三地证明了，它在人类探索生命本质的科学活动中有多么重要。我们期望，果蝇作为模式生物，在人类揭示智力本质的科学活动中也会有所作为。多模态记忆协同对我们如何生成概念、达到对客观事务的完整认知、推理、问题求解和“个性与共性”的关系都有重要的认知意义。

        生命活动是物质运动的最高形式，神经科学的根本目标是揭示智力的本质，基因—脑—行为—认知四者之间的关系，人类智力和创造性的发生及其起源。生命科学正在走向更深刻的辩证的分析与综合。我们相信，人们一旦揭示了果蝇多模态综合的神经计算过程，也必将会对当今的人工智能世界里的多智能体系统（Multi-Agent Systems，MAS）为代表的分布式人工智能（DAI）的研究，以及“基于自然法则的智能处理”的研究有启发意义。



        (作者系中科院院士，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研究员)