德国康斯坦茨大学对昆虫视觉大脑信息处理研究

康斯坦茨大学的科研团队深入探索了昆虫大脑如何接收与并行处理复杂的光学信号。他们首次在视觉神经系统的初级区域——视叶（Lamina）——中发现了信息分层处理的关键线索。与大多数动物相似，昆虫在导航过程中高度依赖视觉能力。为了构建尽可能清晰的环境图像，眼睛接收的刺激需经过大脑的多级加工：它们被筛选、归类，最终以简化的形式传递至更高级的脑区。在昆虫中，这一过程的第一步由视叶完成。它是大脑中首个视觉处理中枢，直接与复眼相连。康斯坦茨大学的神经生态学家安娜·施托克尔（Anna Stöckl）与朗亚·比格（Langea Bigge）的研究，为理解该阶段的信号处理机制提供了重要突破。

昆虫的视觉系统具有高度多样性。该研究聚焦于昆虫在不同光照条件下的运动视觉及其适应机制。施托克尔指出：“果蝇复眼及其大脑视觉信息处理已得到广泛研究，积累了丰富的数据与认知。但从进化角度看，苍蝇在视觉信号接收与处理方面与大多数其他昆虫存在根本差异。”因此，团队选择以鸽尾蝶（Pieris brassicae，又称大菜粉蝶）为研究对象。这种昼行性蝴蝶在早期视觉脑区的神经处理结构和功能上与多数昆虫相似，使得研究成果具备更广泛的适用性。

为解析视觉信号在昆虫大脑中的处理机制，研究团队首先着眼于视网膜——视觉信息处理的起点。借助电子显微镜技术，他们成功辨识了视网膜神经元的所有细胞类型，并精细绘制了细胞间的连接网络。在此基础上，团队对这些细胞进行了重新分类，为深入理解它们在视觉系统中的功能奠定了基础。

高效能的“加法”与“减法”运算

“由于昆虫大脑体积微小，其神经系统必须具备极高的效率。环境刺激在进入眼睛后，会经过多级筛选，最终只有部分关键信息被传递至高级脑区进行处理，”比格解释道。其中一层筛选发生在视叶细胞中。这些细胞能够对传入的光信号执行“加法”或“减法”运算——即整合相邻细胞的信号或相互抑制。

整合多个微弱信号可增强整体图像的强度，但会牺牲空间分辨率，导致图像模糊。而在光照充足的条件下，过程则相反：相邻细胞互相抑制而非整合。“由此产生高分辨率图像，但信号强度略有降低。大脑因此能根据光照条件，以最优效率在信号强度与图像清晰度之间取得平衡，”施托克尔总结道。

功能分层的决定性作用

在后续实验中，研究团队进一步探索了视叶如何实现这种动态处理。通过使用极细的微电极，他们记录了单个神经元对不同光刺激产生的电脉冲信号。“已知单个细胞可承担多种功能，而我们的研究揭示了同一细胞如何在不同任务间切换，”比格指出。研究发现，同一细胞在视叶的不同层级中执行完全不同的功能：“我们首次在视叶中观察到功能分层现象——在某一层，细胞负责收集信号；在另一层，则抑制其相邻细胞。”

这项研究揭示了一种前所未见的视觉信息处理机制。团队下一步将比较昼行性蝴蝶与夜行性蝴蝶在运动视觉上的差异。“由于两者所处环境的光照条件截然不同，我们推测其信息处理机制也存在显著区别。探索进化赋予生物的策略将充满趣味，”施托克尔展望道。