科学家发现，一个古老的视觉结构——上丘（superior colliculus）——能够在不涉及皮层的情况下执行关键的注意力和对比度检测任务。
大脑解读视觉世界的能力并不完全依赖于其高级外层——皮层。PLOS Biology上的一项新研究表明，一个进化上更古老的大脑区域——上丘——包含能够执行基本视觉计算的神经网络。这些神经回路使大脑能够将物体与其背景分离，并识别空间中最相关的视觉线索。
研究人员发现，这个在所有脊椎动物中都存在的古老系统，能够独立产生中心-周围交互作用——这是一种核心视觉过程，有助于检测环境中的边缘、对比度和引人注目的细节。
"几十年来，人们认为这些计算是视觉皮层独有的，但我们已经证明，从进化角度看更为古老的结构——上丘——也可以自主执行这些计算，"埃尔切米格尔埃尔南德斯大学（Universidad Miguel Hernández de Elche）与西班牙国家研究委员会（CSIC）联合成立的神经科学研究所（IN）"视觉行动神经回路实验室"负责人安德烈亚斯·卡尔达马基斯（Andreas Kardamakis）解释道。"这意味着分析我们所见并决定什么值得关注的能力，并非人类大脑的近期发明，而是一种出现在5亿多年前的机制。"
大脑中关于重要信息的古老"雷达"
上丘就像一个内置雷达，在皮层接收信号之前直接从视网膜获取信号。它帮助确定视觉场景中哪些部分最为重要。当有物体移动、闪烁或突然进入视野时，这一结构会首先做出反应，引导眼睛朝向新的刺激物。
为了探索这一过程如何展开，研究团队结合了图案化光遗传学、电生理学和计算建模等先进工具。通过使用光激活特定视网膜通路并在小鼠脑切片中记录反应，他们发现当周围区域变得活跃时，上丘可以抑制中央视觉信号——这是中心-周围处理的一个定义性特征。这一效果得到了细胞类型特异性映射和大规模计算机模拟的支持。
"我们发现上丘不仅传输视觉信息，还主动处理和过滤这些信息，减少对均匀刺激的反应并增强对比度，"论文共同第一作者宋奎松（Kuisong Song）表示。"这表明选择或优先处理视觉信息的能力嵌入在大脑最古老的皮下神经回路中。"这些结果表明，指导注意力的机制深深植根于古老的脑结构中，远在高级皮层区域进化之前。
进化的根源与认知意义
这些发现挑战了复杂视觉处理仅发生在皮层中的传统观念。相反，它们支持一种分层模型，其中古老的大脑结构处理对生存至关重要的基本计算，如检测威胁、追踪移动或避开障碍物。
"了解这些祖先结构如何贡献于视觉注意力也有助于我们理解当这些机制失效时会发生什么，"卡尔达马基斯指出。"注意力缺陷、感觉过敏或某些形式的创伤性脑损伤等障碍可能部分源于皮层通信与这些基本神经回路之间的不平衡。"
研究团队现在正在将他们的工作扩展到活体动物模型，以研究上丘如何在目标导向行为中塑造注意力并控制分心。通过了解视觉干扰如何转化为行动，科学家希望揭示注意力的神经学基础及其在现代生活中的功能障碍，而在现代生活中视觉过载很常见。
国际协作
这项研究代表了卡罗琳斯卡学院（Karolinska Institutet）、瑞典皇家理工学院（KTH Royal Institute of Technology）和麻省理工学院（MIT）之间的大规模合作。它还涉及IN CSIC-UMH的研究员特雷莎·费梅尼亚（Teresa Femenía），她在开发实验工作方面发挥了关键作用。
基于这些发现，安德烈亚斯·卡尔达马基斯（Andreas Kardamakis）和乔瓦尼·乌塞利奥（Giovanni Usseglio）为JH卡斯（JH Kass）编辑的新版《神经系统进化》系列（Evolution of Nervous Systems，爱思唯尔出版社，2025年）贡献了一个章节。他们的工作拓宽了进化视角，比较了跨物种的皮下视觉系统。他们表明，类似于上丘的结构——在鱼类、两栖动物、爬行动物、鸟类和哺乳动物中都存在——有着共同的目的：融合感官和运动信息以引导注视和注意力。
这种古老的脑组织结构已经保存了5亿多年，成为后来皮层进化出更高认知功能的基础。"进化并没有取代这些古老系统；而是在它们的基础上构建的，"卡尔达马基斯解释道。"我们仍然依赖相同的基本硬件来决定看哪里和忽略什么。"
这项工作得到了西班牙国家研究机构（西班牙科学、创新和大学部）、卓越中心塞韦罗·奥乔亚计划（Severo Ochoa Programme）、瓦伦西亚自治区通过CIDEGENT计划、瑞典研究理事会、瑞典脑科学基金会和奥勒·恩克维斯特基金会的支持。
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