為什么人類倒立時識別能力會下降？科學家給出答案

近年，我國載人航天發展如火如荼。“高高在上”的太空成為了開展科學實驗的新場所，與常規的地面實驗室一起，共同助力于科學家的研究。最近，科學家們就通過航天和地面實驗，進行了生物運動知覺的研究，解答了為何人類倒立時識別其它生物的能力會下降。

面對運動著的動物，生物運動知覺使得我們可以無需復雜的思考，就可以憑借直覺迅速地判斷出該動物的類別與行為。而如果面對的是人，我們還能迅速地判斷出他的身份、情緒和意圖。可以說，生物運動知覺對于人類具有重大的意義。

但是，科學研究已經發現，生物運動知覺受到眾多因素影響，某些干擾可能會導致其敏感度下降甚至“失靈”。科學家們曾做過一個實驗，他們把幾個光點附著在運動生物的關節上，再把這些光點的運動動畫交給被試者觀看。結果表明，憑借出色的生物運動知覺能力，人們可以很輕松地檢測到生命體的存在，并從中提取出豐富的生物社會信息。但是，如果把這些光點動畫以倒置的方式呈現出來，人們對其中信息的感知能力就會顯著地變差。

既然生物運動知覺能力如此重要，那么為什么這種能力會受到視覺刺激朝向制約?“倒置”為什么會導致生物運動知覺下降?我國科學家開展的一項研究揭示了可能的答案。

由中國科學院心理研究所(以下簡稱中科院心理所)、腦與認知科學國家重點實驗室蔣毅研究團隊與中國航天員科研訓練中心人因工程國家級重點實驗室陳善廣研究團隊合作發表在《自然·通訊》雜志上的一項新成果表明，這種現象背后的關鍵因素是重力。

新研究對兩種假說加以檢驗

“生物運動知覺是人類的本能。實驗表明，剛出生的嬰兒就對生物運動有感知，并且偏愛正立而非倒立的生物運動。其它一些動物，比如小雞，也表現出類似的偏好。” 論文的第一作者、中科院心理所副研究員王瑩在接受科技日報記者采訪時說。

王瑩介紹：“在小雞實驗當中，剛孵出的小雞對正立的母雞運動動畫會做出反應，例如模仿母雞的朝向和動作。而面對倒立的運動動畫，小雞卻沒有類似反應。我們人類和小雞一樣，都對正立的生物運動更敏感，說明這種敏感性可能是長期進化的產物。這種現象的進化意義在于，它能幫助我們選擇性地對符合地球重力作用的運動模式反應，從而更有效地探測環境中生命體的存在。”

然而，人類對正立生物運動刺激相對于倒立刺激的知覺優勢，究竟是如何形成的呢?有兩種假說可以解釋。

第一種假說認為，人類對正立運動的敏銳感知完全源自于視覺經驗，就像是人們更容易識別正立面孔一樣，看得多自然識別得好。第二種假說認為，這一現象或與作用于生物體，包括人類自身的地球重力的影響有關。

“這里的重力影響，指的不僅是生物運動動畫中包含的重力加速度信息，也包括觀看者大腦對自身接收的重力信號的感知。地面上的人類始終處于地球重力場當中，我們的大腦前庭系統不斷接收、處理重力信號，并且進行實時計算。這種計算有可能為符合地球重力作用的視覺運動信息，也就是正立的視覺運動信息的加工提供便利，從而讓我們對正立的生物運動更加敏感。”王瑩說。

假說是現代科學的基石，也是一切科學理論的基礎。可是，僅僅有假說還是不夠的，只有實驗才能支持抑或是證偽假說。

為此，科學家們設計了專門的實驗，來檢驗上文提到的兩種假說。而開展實驗的理想環境之一，就是天然的失重環境——太空。

空地兩項實驗共同支持重力假說

太空，是天然的失重環境，也是許多科學實驗難得的開展場所。得益于我國載人航天領域“面向長期空間飛行的航天員作業能力變化規律與機制研究”的前瞻設計，航天員科研訓練中心科技工作者的精密組織，以及中國航天員辛勤的“接力”實施，中科院心理所和中國航天員科研訓練中心的研究人員積累了許多來自太空的寶貴實驗數據。

通過航天實驗，研究者發現，暴露于太空失重環境約一周之后，每位航天員對于正倒立生物運動動畫的感知差異都明顯變小了，即知覺上的倒置效應減弱。這說明，該效應在個體間具有高度的一致性，初步證明了身處地球的重力環境是產生朝向特異的視覺生物運動知覺敏感性的關鍵因素。

為了進一步檢驗這種效應是由于失重，還是由于航天實驗環境、練習效應等與重力無關因素引起的，研究者又實施了兩個控制變量實驗。結果發現，在正常地球重力條件下，無論是在模擬航天實驗的幽閉環境中進行測試，還是進行反復的練習，被試者都沒有表現出生物運動知覺倒置效應的減弱。因此，實驗排除了非重力因素的影響，把可能的影響因素明確“鎖定”在了重力之上。

為了驗證航天實驗的發現，研究人員又在地面開展了一項模擬失重效應實驗。實驗采用-6°的頭低位臥床方法模擬航天對人的影響。該方法可以誘發類似失重狀態下的體液頭向轉移，帶來生理和前庭響應上的改變。結果表明，45天頭低位臥床實驗產生了和航天實驗類似的影響，顯著降低了被試者的生物運動知覺倒置效應。

在地頭低位臥床實驗中，研究人員還測量了面孔知覺的倒置效應，也就是看長時間失重之后，人們對“正立的臉”相對于“倒過來的臉”的知覺優勢是否會減小。結果表明，這種效應是不存在的。也就是說，“倒著的臉”和“倒著的運動”對于人腦來說并不一樣。前者更多依賴于對形狀信息的加工，主要受制于視覺經驗，而后者包含了對運動信息的加工，受重力影響顯著。

在心理學的眾多分支當中，認知心理學最為重視行為現象背后的神經機制研究。因此，在頭低位臥床模擬失重前后，研究者還利用功能磁共振成像技術掃描了受試者的神經活動。結果表明，負責生物運動加工的pSTS腦區活動及其與處理重力信息的前庭系統活動的功能連接在模擬失重后都表現出了顯著變化。

“這一系列結果都有力地支持了第二種假說，即前庭重力計算參與塑造了人對視覺生物運動朝向特異的知覺敏感性。”王瑩總結說。

太空實驗與地面模擬實驗相結合，“天地呼應”是該研究的亮點之一。航天領域科研團隊與腦認知領域研究團隊密切配合，是該研究的寶貴經驗。其中，載人航天工程副總設計師、中國航天員科研訓練中心人因工程國家級重點實驗室主任陳善廣團隊在太空實驗與地面模擬實驗的策劃、設計和組織實施中發揮了重要作用。

未來還將研究非生物運動識別

作為基礎研究，目前該研究取得的成果只是一個開始。科研人員期待著在未來繼續開展研究，以增進人們對失重條件下人類視知覺變化規律的理解和利用。

“目前，我們研究的是生物運動知覺，而非生物運動同樣值得關注。航天員在太空重力條件之下，既要和隊友打交道，又要操作各種不具有生命性的儀器，接觸到各類視覺信息。全面把握失重影響人類視知覺的規律，才能為航天員的太空作業提供更多便利，促進航天器人機界面的優化設計來提高航天員作業效率、降低航天員作業負荷。這也是我們的研究在未來潛在的應用方向之一。”王瑩介紹說。

“此外，了解不同重力條件下人腦的可塑性，也有望為探索深空提供幫助。例如，月球的重力條件和地球不同，運動知覺研究或有助于評估登月活動對人腦認知功能的影響。我們合作團隊的成員都期待在未來能共同開展更多的航天實驗，為我國的航天科研事業繼續貢獻一份力量。”王瑩表示。