蒋毅教授研究组揭示基因影响生物运动加工、自闭特质及二者关联

  • 蒋毅研究组
  • 创建于 2018-01-25
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肢体运动是人类的第二语言。舞者举手投足之间,我们便感受到了激情和隽永;当沉默的卡通形象被赋予真实的运动,我们立刻看到了鲜活的生命;即使当身体轮廓不可见,我们依然可以凭借几个置于关节上的光点,清晰地辨别他人的动作、了解其意图、甚至预测其下一秒的行为。

上述现象无不表明,人类具有敏锐捕获并正确感知生物运动信息的能力。这种能力对我们的生存及社会交往至关重要。然而,并非所有个体都能很好地识别生物运动。以往研究发现,某些患有神经发育疾病的人群表现出生物运动知觉能力受损。比如,自闭症谱系障碍(ASD),一种以严重社会性认知障碍为特点并高度遗传的疾病,常常伴随着生物运动加工能力的异常。

是什么决定了生物运动知觉的个体差异?该如何解释它和自闭特质之间的关联?为了回答这些问题,中国科学院大学心理学系、中国科学院心理研究所脑与认知科学国家重点实验室的蒋毅研究员带领他的团队成员开展了一项行为遗传学研究。

研究结果表明,基因和环境共同调控生物运动知觉,但二者的作用并不相同——环境因素主要塑造人们加工生物运动整体结构(即生命体形态)的能力,而基因则很大程度上决定了人们加工局部生物运动信息(即各重要关节的动态)的能力。此外,局部生物运动信息加工能力和自闭特质受共同遗传因素的影响,提示前者的受损可能是自闭谱系障碍、甚至是社会认知能力异常发展的标志。

生物运动中所包含的整体结构Fig. 1, Global BM cues)和局部运动Fig. 1, Local BM cues)线索,是视觉系统赖以分析生物运动信息的基本元素。前人研究发现,视觉系统加工二者的过程存在很大的差异——比如,提取和利用局部生物运动信息需要较少的注意资源及意识的参与,同时不易受学习、噪音掩蔽及外周呈现等因素的影响,并认为两种过程由不同的神经机制介导。然而,造成二者分离的具体机制尚未明了。

Fig. 1. Illustrations of the intact and spatially scrambled BM sequences, as well as the global and local BM cues conveyed by these stimuli.

蒋毅团队使用双生子的方法,分别探究了局部和整体生物运动信息加工能力的可遗传性。由于同卵双生子比异卵双生子共享更多的基因而非环境,前者应当比后者在可遗传的性状上表现出更高的相似度。依据上述逻辑,通过对比两种双生子在所观测变量上的相似性,并采用遗传模型对数据进行拟合,就可以估算出基因和共同环境对该变量的影响。

在实验一中,研究者将构成生物运动的关节点的位置打乱,剥离整体结构信息的影响,从而考察观察者加工局部生物运动信息的能力Fig. 2, BM-Loc)。组内相关(Intraclass Correlation)和遗传模型拟合的结果表明,同卵双生子的相似性高于异卵双生子相似性的两倍,所观察到的个体差异主要由基因(遗传度48%)而非共同环境因素造成。

在实验二中,研究者掩蔽完整的生物运动刺激中的局部运动信息,仅保留整体结构为有效线索,以考察观察者加工整体生物运动信息的能力Fig. 2, BM-Glb)。与实验一相反,同卵双生子和异卵双生子在该任务中的组内相关程度无明显差别,遗传建模的结果表明共同环境(可以解释43%的个体差异)而非遗传因素塑造了整体生物运动信息加工的能力。

在实验三和实验四中,研究者不再单独分离局部或整体生物运动信息,进而考察了基因和环境对一般性的生物运动知觉的影响Fig. 2, BM1,BM2。在两种不同的实验条件下,研究者都观察到了基因和共同环境的联合作用,通过模型估计得到的遗传度介于前两个实验之间,证实了一般性的生物运动信息加工能力具有可遗传性。

Fig. 2. Experimental paradigms for assessing the participants’ abilities to process local, global, and general BM information respectively.

除了行为学指标,研究者还测量了双生子被试的自闭特质,发现自闭特质本身具有较高的遗传度。更重要的是,局部生物运动加工能力较差的被试表现出较高的自闭特质,而且基因可以解释二者间75%的相关,提示它们受到共同遗传因素的调控。

生物运动加工被认为具有重要的进化意义,因为理解身体的语言不是人类的专利,而是一种跨物种的能力。该研究发现生物运动知觉具有可遗传性,为上述观点提供了有力的证据。更进一步地,该研究发现生物运动知觉的两种基本成分,即局部和整体生物运动信息加工,在可遗传性上存在分离,进而从遗传学的角度支持并拓展了生物运动知觉包含两种不同神经机制的理论观点。同时,该研究推动了我们对自闭谱系障碍和生物运动加工缺损之间的关联的认识,并提示后者可能是社会认知能力异常发展的标志。

该研究的第一作者是王莹副研究员,合作者包括脑与认知科学国家重点实验室的何生教授以及加拿大皇后大学的Nikolaus Troje教授。

该研究获得国家自然科学基金和中国科学院脑先导专项、前沿科学重点研究项目、青年创新促进会等的支持。

该研究发表于《美国科学院院刊》(PNAS)。论文信息及链接:

Wang, Y., Wang, L., Xu, Q., Liu, D., Chen, L., Troje, N., He, S., & Jiang, Y. (2018). Heritable aspects of biological motion perception and its covariation with autistic traits. PNAS, doi:10.1073/pnas.1714655115 (www.pnas.org/cgi/doi/10.1073/pnas.1714655115)

相关研究论文:

Wang, L., Zhang, K., He, S., & Jiang, Y. (2010). Searching for life motion signals: Visual search asymmetry in local but not global biological-motion processing. Psychological Science, 21(8), 1083-1089.

Wang, L., & Jiang, Y. (2012). Life motion signals lengthen perceived temporal duration. PNAS, 109(11), E673-E677.

Wang, Y., Wang, L., Xu, Q., Liu, D., & Jiang, Y. (2014). Domain-specific genetic influence on visual-ambiguity resolution. Psychological Science, 25(8), 1600-1607.