拓扑变化把危险变成“甜甜圈”

精神分裂症和孤独症患者通常有异常的恐惧知觉，而拓扑知觉异常可能影响恐惧信息的加工。最近，中国科学院深圳高级技术研究所王立平团队和中国科学院生物物理研究所陈霖院士团队发现，拓扑变化可以减弱大脑本能的恐惧反应。“拓扑变化削弱了老鼠对视觉威胁的本能防御反应”的研究结果正式发表在《神经科学通报》上。

优先级感知拓扑属性

作为数学的一个分支，拓扑学认为物体的一个性质——拓扑性质——在连续变形的过程中可以保持不变。

就像橡胶薄膜一样，无论它如何拉伸和变形，橡胶薄膜的拓扑性质都不会改变。一旦薄膜被撕成两半或者薄膜被撕成孔，拓扑性质就会改变。

然而，数学概念的拓扑性质与人类的感知有什么关系？

早在1982年，陈霖在《科学》杂志上发表的一篇文章中就指出，人类视觉系统首先感知的信息是物体的拓扑性质，这也证明了人类视觉系统对拓扑变化非常敏感。

“虽然一秒钟很短，但我们的视觉系统可以在5毫秒内提取出被处理物体的拓扑性质，而且人们对拓扑性质的感知是与生俱来的。”本文第一作者、通讯记者、中国科学院深圳先进技术研究所副研究员黄艳告诉《中国科学日报》。

拓扑变化减少恐惧

当动物遇到天敌时，它们通常会立即散开并逃跑，或者呆在原地。这些是动物在感觉到危险信号时的本能行为。研究小组将物体的拓扑性质应用到动物的视觉研究中，探索动物的本能行为，发现了一个有趣的现象。

研究人员建立了一个由小到大连续变化的黑色实心圆圈阴影来模拟老鹰攻击场景，从而观察老鼠的本能反应。起初，当实心圆圈的影子出现后，老鼠立即逃回巢穴。研究人员试图将实心圆变成实心正方形或S形，而老鼠的逃跑反应时间保持不变。

资料来源:中国科学院深圳先进技术研究所

有趣的是，在这个连续的过程中，研究人员随机加入80毫秒的空心圆圈后，老鼠并不害怕，逃避行为的反应时间也明显更长。

“就像一颗巨大的陨石朝我们冲来。人们会本能地感到害怕。如果陨石改变了中间的拓扑结构，突然变成一个甜甜圈，然后又变回陨石，你最初对陨石的强烈恐惧会减弱很多吗？”黄艳说，当大脑面对危险的视觉信号时，物体拓扑性质的变化会削弱大脑本能的恐惧反应。

“本能”的皮层下通路

大脑就像人体的“总部”。大脑皮层首先处理各种信息并发出指令来指导身体做出反应。科学家发现，大脑中仍有一条神秘的皮层下通路，可以快速处理与生存密切相关的信息，如危险信息，引导身体做出本能反应。

黄艳和其他人发现，大脑对拓扑性质的感知也是皮层下的“行走”路径。具体来说，当大脑接收到危险的视觉信号时，皮层下通路激活的细胞数量增加，导致本能的恐惧反应。然而，添加拓扑变化后，本能的恐惧反应减弱，皮层下通路激活的细胞数量也减少，这表明拓扑变化也可以影响大脑皮层下通路对危险视觉信号的处理。这为拓扑变化削弱本能恐惧反应的发现提供了神经生物学证据。

科学界尚未确定这种神秘的皮质下通路到底是什么。然而，皮质下通路的异常加工可能与某些脑部疾病密切相关。因此，研究拓扑皮层下通路的加工机制有可能成为破解许多脑部疾病之谜的关键。

拓扑性质的变化减少恐惧的发现有助于进一步理解相关脑部疾病的发病机制。未来，该团队将把拓扑性质的研究扩展到更多的脑部疾病，如自闭症、精神分裂症、诵读困难症等。据了解，该研究团队已与中山眼科医院合作，相关研究成果将应用于青光眼患者的早期发现和治疗。