倒立时为何识别能力下降？航天与地面实验共同作答

和鸡一样，我们都对直立的生物动作更加敏感，说明这种敏感可能是长期进化的产物。这一现象的进化意义在于，它可以帮助我们选择性地对符合地球引力的运动模式做出反应，从而更有效地探测环境中是否存在生物。

——王赢中国科学院心理研究所副研究员

近年来，中国的载人航天如火如荼。“高高在上”的空间成为科学实验的新场所，与常规的地面实验室一起，帮助科学家的研究。最近，科学家通过太空和地面实验对生物运动感知进行了研究，并回答了为什么倒立时人类对其他生物的识别能力下降。

面对一个运动的动物，对生物运动的感知使我们能够凭直觉快速判断出动物的类别和行为，而不需要复杂的思考。如果我们面对一个人，可以很快判断出他的身份、情绪和意图。可以说，生物运动感知对人类意义重大。

然而，科学研究发现，生物的运动感知受到多种因素的影响，一些干扰可能导致其灵敏度下降甚至“失效”。科学家做过一个实验，他们在运动生物的关节上附着几个光点，然后把这些光点的运动动画展示给受试者观看。研究结果表明，人们凭借对生物运动的卓越感知，可以很容易地探测到生物的存在，并从中提取丰富的生物社会信息。但是，如果这些光点的动画以倒置的方式呈现，人们对其中信息的感知就会明显变差。

既然对生物运动的感知如此重要，为什么这种能力会受到视觉刺激的制约？为什么「倒置」会导致生物运动知觉下降？中国科学家进行的一项研究揭示了可能的答案。

中国科学院心理所脑与认知科学国家重点实验室蒋易研究团队和中国航天员科研训练中心人因工程国家重点实验室陈善广研究团队发表在《自然·通讯》杂志上的一项新成果表明，这一现象背后的关键因素是重力。

这项新研究检验了这两个假设。

“生物的运动感知是人类的本能。实验表明，新生婴儿是意识到生物运动的，并且更喜欢直立的生物运动，而不是倒置的生物运动。其他动物，比如鸡，也表现出类似的偏好。”论文第一作者、中科院心理所副研究员王赢在接受科技日报记者采访时表示。

王赢介绍:“在小鸡的实验中，刚孵出的小鸡会对直立的母鸡动作动画做出反应，比如模仿母鸡的朝向和动作。但是，面对倒动画，小鸡却没有类似的反应。和鸡一样，我们都对直立的生物动作更加敏感，说明这种敏感可能是长期进化的产物。这一现象的进化意义在于，它可以帮助我们选择性地应对符合地球引力的运动模式，从而更有效地探测环境中生命的存在。”

然而，人类直立生物运动刺激相对于倒立刺激的知觉优势是如何形成的？有两种假设可以解释。

第一种假设认为，人类对直立运动的敏锐感知完全来源于视觉经验，就像人更容易识别直立的面孔一样，因此也能自然识别。第二种假说认为，这种现象可能与地球引力作用于生物，包括人类自身的影响有关。

“这里的重力影响不仅指生物运动动画中包含的重力加速度信息，还指观看者的大脑对自身接收到的重力信号的感知。地面上的人始终处于地球的重力场中，我们的大脑前庭系统不断接收和处理重力信号，并进行实时计算。这种计算可能有利于处理符合地球引力的视觉运动信息，即垂直视觉运动信息，从而使我们对垂直生物运动更加敏感。”王赢说。

假说是现代科学的基石，是一切科学理论的基础。然而，仅仅有一个假设是不够的。只有实验才能支持或否定这个假设。

因此，科学家们设计了特殊的实验来测试上面提到的两个假设。进行实验的理想环境之一是自然失重环境——太空。

两个露天实验共同支持重力假说。

太空是一个自然失重的环境，也是很多科学实验不可多得的地方。得益于中国载人航天领域“航天员长期空间飞行操作能力变化规律与机制研究”的前瞻性设计、航天员科研训练中心科技工作者的精准组织、中国航天员的艰苦“接力”实施，中科院心理所、中国航天员科研训练中心的科研人员积累了大量来自太空的宝贵实验数据。

通过太空实验，研究人员发现，在暴露于太空失重环境约一周后，每个宇航员对直立和倒置生物运动动画的感知差异明显变小，即感知中的倒置效应减弱。这说明这种效应在个体之间是高度一致的，初步证明了处于地球重力环境是产生视觉生物运动知觉对特异性敏感的关键因素。

为了进一步检验这种效应是否是由失重、空间实验环境、运动效应等与重力无关的因素引起的，研究人员进行了两个控制变量实验。结果发现，在正常的地球重力条件下，无论是在模拟太空实验的幽闭环境中，还是在反复练习中，受试者都没有表现出生物运动知觉反转效应的减弱。因此，实验排除了非重力因素的影响，明确“锁定”了重力的可能影响因素。

为了验证太空实验的发现，研究人员在地面进行了模拟失重实验。实验中采用-6头低位卧床法模拟航天对人类的影响。这种方法可以诱发类似失重的体液头对头传递，带来生理和前庭反应的变化。结果表明，为期45天的头低位卧床实验具有与空间实验相似的效果，并显著降低了受试者生物运动知觉的反转效应。

在地面躺在床上的实验中，研究人员还测量了面孔知觉的反转效应，即长期失重后，“正面孔”对“反转面孔”的知觉优势是否会降低。结果表明，这种影响是不存在的。也就是说，“倒立的脸”和“倒立的动作”对于人脑来说是不一样的。前者依赖性更强。

形状信息的处理主要依靠视觉经验，后者包括运动信息的处理，受重力影响显著。

在心理学的众多分支中，认知心理学最注重对行为现象背后的神经机制的研究。因此，在头低位卧床模拟失重前后，研究人员还利用功能磁共振成像扫描了受试者的神经活动。结果表明，模拟失重后，负责生物运动处理的pSTS的脑活动及其与处理重力信息的前庭系统活动的功能联系发生了显著变化。

“所有这些结果都有力地支持了第二个假设，即前庭重力计算参与塑造了人们对视觉生物运动特异性的知觉敏感性。”王赢总结道。

将空间实验与地面模拟实验相结合，“天地回波”是此次研究的亮点之一。航天研究团队与大脑认知领域研究团队的密切合作，是此次研究的宝贵经验。其中，载人航天工程副总设计师、中国航天员科研训练中心人因工程国家重点实验室主任陈善广在空间实验和地面模拟实验的规划、设计和实施中发挥了重要作用。

未来还将研究非生物动作识别。

作为一项基础研究，这项研究的成果仅仅是个开始。研究人员期待今后继续研究，以提高人们对失重状态下人的视觉感知变化规律的认识和利用。

“目前我们正在研究生物运动的感知，非生物运动也值得关注。在太空重力条件下，航天员不仅要和队友打交道，还要操作各种无生命的仪器，接触各种视觉信息。全面掌握失重影响人类视觉感知的规律，可以为航天员的空间操作提供更多的便利，促进航天器人机界面的优化设计，提高航天员的工作效率，减轻航天员的工作负荷。这也是我们未来研究的潜在应用方向之一。”王赢说道。

“此外，了解人类大脑在不同重力条件下的可塑性，也有望帮助探索深空。例如，月球的重力条件与地球不同，因此对运动知觉的研究可能有助于评估登月对人类大脑认知功能的影响。我们合作团队的成员都期待着在未来共同开展更多的空间实验，继续为中国的空间科学研究做出贡献。”王赢说。