科學家發現，一個古老的視覺結構——上丘（superior colliculus）——能夠在不涉及皮層的情況下執行關鍵的注意力和對比度檢測任務。
大腦解讀視覺世界的能力並不完全依賴於其高級外層——皮層。 PLOS Biology上的一項新研究表明，一個進化上更古老的大腦區域——上丘——包含能夠執行基本視覺計算的神經網路。 這些神經迴路使大腦能夠將物體與其背景分離，並識別空間中最相關的視覺線索。
研究人員發現，這個在所有脊椎動物中都存在的古老系統，能夠獨立產生中心-周圍交互作用——這是一種核心視覺過程，有助於檢測環境中的邊緣、對比度和引人注目的細節。
“幾十年來，人們認為這些計算是視覺皮層獨有的，但我們已經證明，從進化角度看更為古老的結構——上丘——也可以自主執行這些計算，”埃爾切米格爾埃爾南德斯大學（Universidad Miguel Hernández de Elche）與西班牙國家研究委員會（CSIC）聯合成立的神經科學研究所（IN）“視覺行動神經迴路實驗室”負責人安德列亞斯· 卡爾達馬基斯（Andreas Kardamakis）解釋道。 “這意味著分析我們所見並決定什麼值得關注的能力，並非人類
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大腦的近期發明，而是一種出現在5億多年前的機制。”
大腦中關於重要資訊的古老“雷達”
上丘就像一個內置雷達，在皮層接收信號之前直接從視網膜獲取信號。 它幫助確定視覺場景中哪些部分最為重要。 當有物體移動、閃爍或突然進入視野時，這一結構會首先做出反應，引導眼睛朝向新的刺激物。
為了探索這一過程如何展開，研究團隊結合了圖案化光遺傳學、電生理學和計算建模等先進工具。 通過使用光啟動特定視網膜通路並在小鼠腦切片中記錄反應，他們發現當周圍區域變得活躍時，上丘可以抑制中央視覺信號——這是中心-周圍處理的一個定義性特徵。 這一效果得到了細胞類型特異性映射和大規模計算機模擬的支援。
“我們發現上丘不僅傳輸視覺資訊，還主動處理和過濾這些資訊，減少對均勻刺激的反應並增強對比度，”論文共同第一作者宋奎松（Kuisong Song）表示。 “這表明選擇或優先處理視覺資訊的能力嵌入在大腦最古老的皮下神經迴路中。” 這些結果表明，指導注意力的機制深深植根於古老的腦結構中，遠在高級皮層區域進化之前。
進化的根源與認知意義
這些發現挑戰了複雜視覺處理僅發生在皮層中的傳統觀念。 相反，它們支援一種分層模型，其中古老的大腦結構處理對生存至關重要的基本計算，如檢測威脅、追蹤移動或避開障礙物。
了解這些祖先結構如何貢獻於視覺注意力也有助於我們理解當這些機制失效時會發生什麼，“卡爾達馬基斯指出。 “注意力缺陷、感覺過敏或某些形式的創傷性腦損傷等障礙可能部分源於皮層通信與這些基本神經迴路之間的不平衡。”
研究團隊現在正在將他們的工作擴展到活體動物模型，以研究上丘如何在目標導向行為中塑造注意力並控制分心。 通過瞭解視覺干擾如何轉化為行動，科學家希望揭示注意力的神經學基礎及其在現代生活中的功能障礙，而在現代生活中視覺過載很常見。
國際協作
這項研究代表了卡羅琳斯卡學院（Karolinska Institutet）、瑞典皇家理工學院（KTH Royal Institute of Technology）和麻省理工學院（MIT）之間的大規模合作。 它還涉及IN CSIC-UMH的研究員特雷莎·費梅尼亞（Teresa Femenía），她在開發實驗工作方面發揮了關鍵作用。
基於這些發現，安德列亞斯·卡爾達馬基斯（Andreas Kardamakis）和喬瓦尼·烏塞利奧（Giovanni Usseglio）為JH卡斯（JH Kass）編輯的新版《神經系統進化》系列（Evolution of Nervous Systems，愛思唯爾出
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版社，2025年）貢獻了一個章節。 他們的工作拓寬了進化視角，比較了跨物種的皮下視覺系統。 他們表明，類似於上丘的結構——在魚類、兩棲動物、爬行動物、鳥類和哺乳動物中都存在——有著共同的目的：融合感官和運動資訊以引導注視和注意力。
這種古老的腦組織結構已經保存了5億多年，成為後來皮層進化出更高認知功能的基礎。 “進化並沒有取代這些古老系統; 而是在它們的基礎上構建的，“卡爾達馬基斯解釋道。 “我們仍然依賴相同的基本硬體來決定看哪裡和忽略什麼。”
這項工作得到了西班牙國家研究機構（西班牙科學、創新和大學部）、卓越中心塞韋羅·奧喬亞計劃（Severo Ochoa Programme）、瓦倫西亞自治區通過CIDEGENT計劃、瑞典研究理事會、瑞典腦科學基金會和奧勒·恩克維斯特基金會的支援。
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