近日，中國科學院深圳先進技術研究院腦認知與腦疾病研究所王立平團隊 與中國科學院生物物理所陳霖院士團隊的最新研究成果“拓撲變化削弱小鼠對視覺威脅的本能防禦反應”（Topological Shape Changes Weaken the Innate Defensive Response to Visual Threat in Mice）正式發表在Neuroscience Bulletin期刊上。深圳先進院腦所的黃豔、李蕾副研究員為文章共同一作，黃豔副研究員和王立平研究員為文章共同通訊作者。
當老鷹向小鼠撲來時，小鼠會產生本能的逃跑或凍僵的防禦性行為。這種對威脅性刺激的本能防禦反應對於物種的生存至關重要。實驗室一般用上視野逼近的陰影視覺刺激（looming）來模擬老鷹襲擊的場景。
王立平團隊前期，應用光遺傳學，神經環路示蹤，藥物遺傳學，神經電生理等技術手段已分別解析了介導視覺危險刺激誘導凍僵[1]及逃跑樣本能恐懼行為反應[2]的神經環路機制 ，同時發現束縛等惡性刺激[3]與溫柔撫觸下的感知覺輸入[4]，可以加強或者減弱本能恐懼反應行為。
什麼樣的視覺信號代表危險？想象一下，一個巨大的隕石向你快速襲來，你非常害怕，中途隕石突然變成了一個甜甜圈，然後又變回隕石，你原本對隕石產生的強烈恐懼感是不是削弱了很多？
從隕石到甜甜圈的這種形變正是拓撲變化。拓撲學也被形象地稱為橡皮薄膜上的數學。一張橡皮薄膜在任意連續形變（除了撕破，撕裂和粘貼）的過程中拓撲性質保持不變，而薄膜被扯破出現洞的時候拓撲性質就發生了變化。
早在1982年的一篇Science文章[5]中，陳霖院士首次提出物體的拓撲性質是視覺系統首先抽提的一種基本屬性，並證明了人類視覺對拓撲變化非常的敏感。而後幾十年裡大量的行為實驗支持了這一觀點，然而拓撲性質加工的神經機制並不清楚。之前的人的磁共振成像研究[6]表明刺激在意識下呈現時，“洞”這種拓撲性質經過皮層下的上丘和丘腦枕加工。
圖1. 皮層下視覺通路假設
危險性視覺刺激和拓撲性質都經過上丘加工。一個是對生存至關重要的恐懼防禦反應，一個是物體的一種最基本屬性。我們不由得產生這樣的疑問：他們在上丘的加工是否有重疊和相互影響？
圖2. 拓撲變化削弱小鼠的本能防禦反應
黃豔、李蕾等人設計了這樣的實驗：在危險性的looming刺激中加入短暫的（80毫秒）拓撲變化，觀察小鼠的防禦反應。他們發現，小鼠逃回窩的反應時間明顯地變長了，說明小鼠的恐懼反應明顯地減弱了；同時他們還觀察到其他非拓撲變化的幾何形變不會影響小鼠的防禦反應。進一步地，他們用c-fos染色觀察到上丘的細胞激活數量也明顯減少了，提示拓撲變化的確影響了上丘對危險性視覺刺激的加工。
拓撲變化的檢測是否也是發生在上丘呢？黃豔等人又給予小鼠非威脅性的刺激圖片，刺激圖片發生拓撲或其他幾何形變，他們觀察到拓撲變化激活的上丘的細胞要明顯少於其他幾何形變激活的細胞，這說明拓撲性質的加工的確發生在上丘。
圖3. 拓撲變化激活的上丘的細胞要明顯少於其他幾何形變激活的細胞
拓撲性質是視覺系統首先抽提的一種基本屬性，這一假設在危險性視覺刺激的加工中同樣成立。再危險，也得先看看有沒有“洞”！
眾多的精神疾病如精神分裂症被報道恐懼信息的處理異常。此外，拓撲性質加工異常也與精分等精神疾病有密切關係。這一發現將有助於深入理解精神疾病的發生機制，為疾病的早期篩查、客觀診斷和干預策略提供新的研究思路。
參考文獻：
[1]. Wei, P., Liu, N., Zhang, Z., Liu, X., Tang, Y., He, X., Wu, B., Zhou, Z., Liu, Y., Li, J., Zhang, Y., Zhou, X., Xu, L., Chen, L., Bi, G., Hu, X., Xu, F., & Wang, L. (2015). Processing of visually evoked innate fear by a non-canonical thalamic pathway. Nature Communications, 6, 6756. https://doi.org/10.1038/ncomms7756
[2]. Li, L., Feng, X., Zhou, Z., Zhang, H., Shi, Q., Lei, Z., et al. (2018). Stress accelerates defensive responses to looming in mice and involves a locus coeruleus-superior colliculus projection. Current Biology, 28: 859–871.
[3]. Zhou, Z., Liu, X., Chen, S., Zhang, Z., Liu, Y., Montardy, Q., … Li, L. (2019). A VTA GABAergic Neural Circuit Mediates Visually Evoked Innate Defensive Responses. Neuron, 103(3), 473.
[4]. Liu, X., Chen, C., Liu, Y., Wang, Z., Huang, K., Wang, F., & Wang, L. (2018). Gentle Handling Attenuates Innate Defensive Responses to Visual Threats. Frontiers in Behavioral Neuroscience, 12, 239.
[5]. Chen, L. (1982). Topological structure in visual perception. Science, 218(4573), 699–700. https://doi.org/10.1126/science.7134969.
[6]. Meng, Q., Huang, Y., Cui, D., He, L., Chen, L., Ma, Y., & Zhao, X. (2018). The dissociations of visual processing of “hole” and “no-hole” stimuli: An functional magnetic resonance imaging study. Brain and Behavior, 8(5), e00979
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