近日，中国科学院深圳先进技术研究院脑认知与脑疾病研究所王立平团队 与中国科学院生物物理所陈霖院士团队的最新研究成果“拓扑变化削弱小鼠对视觉威胁的本能防御反应”（Topological Shape Changes Weaken the Innate Defensive Response to Visual Threat in Mice）正式发表在Neuroscience Bulletin期刊上。深圳先进院脑所的黄艳、李蕾副研究员为文章共同一作，黄艳副研究员和王立平研究员为文章共同通讯作者。
当老鹰向小鼠扑来时，小鼠会产生本能的逃跑或冻僵的防御性行为。这种对威胁性刺激的本能防御反应对于物种的生存至关重要。实验室一般用上视野逼近的阴影视觉刺激（looming）来模拟老鹰袭击的场景。
王立平团队前期，应用光遗传学，神经环路示踪，药物遗传学，神经电生理等技术手段已分别解析了介导视觉危险刺激诱导冻僵[1]及逃跑样本能恐惧行为反应[2]的神经环路机制 ，同时发现束缚等恶性刺激[3]与温柔抚触下的感知觉输入[4]，可以加强或者减弱本能恐惧反应行为。
什么样的视觉信号代表危险？想象一下，一个巨大的陨石向你快速袭来，你非常害怕，中途陨石突然变成了一个甜甜圈，然后又变回陨石，你原本对陨石产生的强烈恐惧感是不是削弱了很多？
从陨石到甜甜圈的这种形变正是拓扑变化。拓扑学也被形象地称为橡皮薄膜上的数学。一张橡皮薄膜在任意连续形变（除了撕破，撕裂和粘贴）的过程中拓扑性质保持不变，而薄膜被扯破出现洞的时候拓扑性质就发生了变化。
早在1982年的一篇Science文章[5]中，陈霖院士首次提出物体的拓扑性质是视觉系统首先抽提的一种基本属性，并证明了人类视觉对拓扑变化非常的敏感。而后几十年里大量的行为实验支持了这一观点，然而拓扑性质加工的神经机制并不清楚。之前的人的磁共振成像研究[6]表明刺激在意识下呈现时，“洞”这种拓扑性质经过皮层下的上丘和丘脑枕加工。
图1. 皮层下视觉通路假设
危险性视觉刺激和拓扑性质都经过上丘加工。一个是对生存至关重要的恐惧防御反应，一个是物体的一种最基本属性。我们不由得产生这样的疑问：他们在上丘的加工是否有重叠和相互影响？
图2. 拓扑变化削弱小鼠的本能防御反应
黄艳、李蕾等人设计了这样的实验：在危险性的looming刺激中加入短暂的（80毫秒）拓扑变化，观察小鼠的防御反应。他们发现，小鼠逃回窝的反应时间明显地变长了，说明小鼠的恐惧反应明显地减弱了；同时他们还观察到其他非拓扑变化的几何形变不会影响小鼠的防御反应。进一步地，他们用c-fos染色观察到上丘的细胞激活数量也明显减少了，提示拓扑变化的确影响了上丘对危险性视觉刺激的加工。
拓扑变化的检测是否也是发生在上丘呢？黄艳等人又给予小鼠非威胁性的刺激图片，刺激图片发生拓扑或其他几何形变，他们观察到拓扑变化激活的上丘的细胞要明显少于其他几何形变激活的细胞，这说明拓扑性质的加工的确发生在上丘。
图3. 拓扑变化激活的上丘的细胞要明显少于其他几何形变激活的细胞
拓扑性质是视觉系统首先抽提的一种基本属性，这一假设在危险性视觉刺激的加工中同样成立。再危险，也得先看看有没有“洞”！
众多的精神疾病如精神分裂症被报道恐惧信息的处理异常。此外，拓扑性质加工异常也与精分等精神疾病有密切关系。这一发现将有助于深入理解精神疾病的发生机制，为疾病的早期筛查、客观诊断和干预策略提供新的研究思路。
参考文献：
[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
閱讀更多 brainnews 的文章
