神经科学家揭示了大脑如何跟踪运动对象

赶上跳动的球或用球拍击打球都需要估计球何时到达。神经科学家长期以来一直认为，大脑是通过计算运动物体的速度来做到这一点的。但是，麻省理工学院的一项新研究表明，大脑的方法更为复杂。图像：切尔西·特纳/麻省理工学院

赶上跳动的球或用球拍击打球都需要估计球何时到达。神经科学家长期以来一直认为，大脑是通过计算运动物体的速度来做到这一点的。但是，麻省理工学院的一项新研究表明，大脑的方法更为复杂。

新发现表明，除了跟踪速度外，大脑还包含有关物体运动节奏模式的信息：例如，一个球完成一次弹跳需要多长时间。在他们的新研究中，研究人员发现，人们在获得有关移动物体的速度及其节奏模式的时间信息时，可以做出更准确的估计。

生命科学的罗伯特·斯旺森职业发展教授，麻省理工学院麦戈文脑科学研究所成员Mehrdad Jazayeri说：“人们可以同时获得两种类型的信息，才能真正做到这一点。”“这就像有多种感官的输入。当我们使用多种感觉时，我们对与之互动的世界的统计知识会更加丰富。”

Jazayeri是这项研究的资深作者，该研究发表在3月5日那周的美国国家科学院院刊上。该论文的主要作者是麻省理工学院的研究生张家荣。

运动中的物体

我们处理的有关物体在我们周围移动的许多信息来自对物体的视觉跟踪。我们的大脑可以使用有关物体速度和物体必须覆盖的距离的信息来计算物体何时到达特定点。研究大脑如何保持时间的贾扎耶里（Jazayeri）对我们看到的许多动作也具有节奏元素（例如弹跳球）的事实深感兴趣。

“我们想到问，大脑怎么可能不使用这些信息？如果所有这些额外的时间结构的丰富性都不是我们评估周围事物的位置以及事物将如何发生的方式的一部分，这将非常奇怪。”

大脑还有许多其他感觉处理任务，大脑使用多种输入源。例如，在解释语言时，我们会同时使用听到的声音和说话者嘴唇的移动（如果可以看到它们的话）。当我们触摸物体时，我们会根据所看到的和手指的感觉来估计其大小。

在感知物体运动的情况下，很难把握节奏时机的作用，而不是速度。“我可以要求某人执行某项任务，但是如果他们两个都始终可用，那么我如何知道他们是在使用速度还是在使用时间？”哈扎耶里（Jazayeri）说。

为了克服这个问题，研究人员设计了一项任务，可以控制多少时序信息可用。他们在执行任务时测量了人类志愿者的表现。

在任务过程中，研究参与者看着球沿直线移动。经过一段距离后，球越过障碍物，参与者无法再看到它。他们要求他们在希望球重新出现时按一下按钮。

表演的差异很大，具体取决于在障碍物后面有多少球可见。如果参与者看到球消失之前很短的距离，那他们就做得不好。随着消失前距离的增加，他们能够更好地计算出球的速度，因此他们的性能有所提高，但最终达到稳定。

在那个稳定期之后，当消失之前的距离增加到与障碍物的宽度完全相同时，性能会出现明显的跳跃。在那种情况下，当消失之前看到的路径等于球在障碍物后面移动的路径时，参与者会大大改善，因为他们知道在障碍物后面花费的时间与到达障碍物所花费的时间相同。

当到达障碍物的距离大于障碍物的宽度时，性能再次下降。

Jazayeri说：“提供这些额外的信息非常重要，当我们有了这些信息时，我们就会使用它。”“时间结构是如此重要，以至于当您丢失它时，即使以获取更好的视觉信息为代价，人们的表现也会变差。”

整合信息

研究人员还测试了几种大脑如何执行此任务的计算机模型，发现唯一可以准确复制其实验结果的模型是大脑在两个不同区域测量速度和时间然后将它们组合在一起的模型。

先前的研究表明，大脑在皮质前运动区执行时序估计，这在计划运动中起着重要作用。通常需要视觉输入的速度是在视觉皮层中计算的。Jazayeri说，这些输入可能组合在负责空间注意力和跟踪空间物体的大脑部分中，而空间物体发生在顶叶皮层中。

Jazayeri希望在未来的研究中测量受过训练的动物的大脑活动，这些动物的任务与人类在这项研究中所执行的任务相同。这可能会进一步阐明该处理的发生位置，也可能揭示在做出错误估计时大脑中会发生什么。

这项研究是由麦戈文脑科学研究所资助的。

出版物：Chia-Jung Chang和Mehrdad Jazayeri，“综合速度和时间以估计联系时间”，PNAS，2018年； doi：/10.1073/pnas.1713316115