短尾蝮视顶盖神经元对红外信号的处理与编码

With the developed infrared sense system, pit vipers could detect and locate the prey rapidly and accurately in dark surroundings. With the unique infrared neurons, infrared information is processed and encoded in central nervous system, and reform to image like the visual signal processing. To adapt to the complicated and varied environment, there are some interactive relationships between infrared and visual systems, such as complementation, enhancing, and inhibition. But up to now, the regulation of signal processing and encoding in infrared system is not clear. How pit vipers determine the shape and movement of targets is still a question. As the primary nerve centre of infrared information and visual processing , the neural activities in tectum are considered to be the objective response for infrared signals. Short-tailed pit vipers will be used in the project to research the neuron activities to infrared information. We have been designing the measurable and tunable infrared signals. Then we are going to examine the action potentials to different types of infrared information, analyze the selectivity of neurons in tectum to parameters of signal, and compare the characteristics to visual system. This project, finally, will reveal the working mechanism of infrared processing in tectum, and discuss the relationship between infrared and visual systems. Furthermore, the understanding of animal's infrared sense will be expanded by our results, which have realistic significance for bionics of infrared imaging research.

凭借发达的红外感知能力，蝮蛇能在黑暗环境里对猎物进行快速而准确的识别与定位。红外信号通过特有的红外感知系统，还原为类似视觉的目标图像。同时，红外与视觉系统还表现出相互补充、加成、抑制等作用。但是，目前我们对红外感知系统对信号的处理和编码方式知之甚少。蝮蛇如何通过红外信息对环境目标形态、运动状态等进行识别，还有待进一步研究。红外信号处理的第一个高级中枢为中脑视顶盖，其相关神经元活动可视为对信息特征的客观响应，同时该区域也是红外与视觉信息的汇合点。我们将以短尾蝮为研究对象，拟从视顶盖神经元对红外信号的响应特征出发，设计可量化调控的红外信号，采用单细胞记录法观察神经元的动作电位反应，深入分析神经元对不同红外信号参数的编码特征，并与视觉系统进行对比研究。最终结果将揭示蝮蛇红外感知系统如何成像这一核心问题，并探讨红外觉与视觉的相互关系。本项目对推动生物红外感知理论以及仿生学研究的深入有现实意义。

蝮亚科蛇类有着非常灵敏的红外知能力，这保证了其捕猎活动可以在夜间和洞穴中进行，极大地提升了时间（昼夜）与空间（环境）的是适合度。本研究从形态、行为、和神经电生理等三个方面入手，讨论了红外感知系统的物质基础，与环境的相关性，与视觉系统的相关性，以及神经系统对外部刺激的客观响应特点等。.形态解剖学是研究功能系统最基础的手段之一。传统形态学研究手段无法在保持动物个体外观前提下对内部结构进行观测，因此我们在研究中采用了CT扫描观察的方法，对12种蝮亚科动物进行了进一步形态学研究。通过CT扫描和后期的三维重建图像，可以完整清晰地得到蝮蛇头部的表观到内部结构，目前我们正在进行测量和分析工作。.蝮蛇的捕食行为最直观地反映了感知系统的功能和重要性。我们研究设计制作了一种可以调节背景温度的捕食场地，再通过选择性地遮蔽蝮蛇的感官，通过观察特定条件和状态下蝮蛇的捕食攻击行为，进而分析红外系统的感知作用原理。结果表明，红外系统同样是通过 “背景-前景”差异来实现目标定位，并且在目标辨识上表现出对高温信号的偏好，即当目标温度低于背景温度时，红外感知系统的错判率升高。对于自然环境下蝮蛇对鼠类的捕食行为而言，最容易面临的信息状态有两种：（1）有光/高温环境——视觉信号较强，可以矫正红外系统对真实目标相位的错判；（2）无（弱）光/低温环境——视觉信号弱，红外系统依赖高温偏好和温差对比进行攻击定位。.最后，我们通过神经电生理的细胞外记录方法，观测蝮蛇中脑单个神经元对外部刺激的动作电位活动。我们测试了红外神经元在水平面的感受野范围，发现随着感受角度的改变，对同一温度感受距离是不同的。并且其变化规律在神经元个体间也存在差异。另外，神经元对不同波长的辐射能，有着不同的响应规律，我们认为并非是单一的温度传感原则或是光化学传感原则，而是一种复合的、差异性的编码规则。正是由这些多样性的神经元，构筑了一个媲美视觉成像系统的基于能量强度的感受器。