MIT研究发现大脑自带两套物理引擎，分别识别固体与流体

想象一个球从楼梯上弹跳而下，再想象一股水流从同样的楼梯上倾泻而下。球和水表现出了截然不同的运动方式，而研究发现，我们的大脑中也确实存在着不同的区域，专门用来处理这两类物理物质的视觉信息。

在一项新研究中，麻省理工学院（MIT）的神经科学家们发现，大脑视觉皮层的一部分区域，在观察“物体”（things）——即像弹跳的球一样的刚性或可变形物体时，会优先响应。而另一些大脑区域，则在观察“物质”（stuff）——即液体或沙子等颗粒状物质时，表现得更为活跃。

研究人员表示，这种首次在大脑中发现的分区机制，可能有助于大脑规划如何与不同物理特性的材料进行互动。

“当你在观察流体或黏性物质时，你与之互动的方式和面对刚性物体时是不同的。对于一个刚性物体，你可能会直接用手拿起或抓住它；而对于流体或黏性物质，你很可能需要借助工具来处理，”认知神经科学 Walter A. Rosenblith 讲席教授 Nancy Kanwisher 解释道。她同时是麦戈文脑研究所和大脑、心智与机器中心成员，也是这项研究的资深作者。

该论文发表于《当代生物学》（Current Biology）期刊。论文的第一作者是麻省理工学院的博士后研究员 Vivian Paulun，她将于今年秋季加入威斯康星大学麦迪逊分校任教。麻省理工学院博士后 RT Pramod 以及大脑与认知科学系教授 Josh Tenenbaum 同为该研究的合著者。

“物质”与“物体”之分

包括 Kanwisher 教授的早期研究在内的数十年脑成像研究，已经揭示了大脑腹侧视觉通路（ventral visual pathway）中参与识别三维物体形状的区域，其中包括一个被称为 LOC（lateral occipital complex, 外侧枕叶复合体）的区域。同时，大脑背侧视觉通路（dorsal visual pathway）中一个被称为 FPN（frontoparietal physics network, 额顶物理网络）的区域，则负责分析材料的物理属性，如质量或稳定性。

尽管科学家们对这些通路如何响应物体的不同特征已有相当了解，但绝大多数研究都局限于固体物体，即所谓的“物体”。

“此前，从未有人研究过我们是如何感知所谓的‘物质’——也就是液体、沙子、蜂蜜、水以及各种黏性物质的。因此，我们决定着手研究这个问题，”Paulun 说。

这些黏性材料的物理特性与固体截然不同。它们会流动而非弹跳，与它们互动通常需要容器或勺子之类的工具。研究人员因此推测，这些独特的物理特征可能需要大脑进化出专门的区域来对其进行解读。

为了探索大脑如何处理这些材料，Paulun 使用了一款专为视觉特效师设计的软件，创建了 100 多个视频片段，展示了不同类型的“物体”或“物质”与物理环境的互动。在这些视频中，材料或是在一个透明的盒子内晃动、翻滚，或是被扔到另一个物体上，又或是从一组楼梯上弹跳或流下。

研究人员使用 fMRI (functional magnetic resonance imaging, 功能性磁共振成像)技术，扫描了受试者在观看这些视频时的视觉皮层活动。他们发现，LOC 和 FPN 这两个脑区通路都会对“物体”和“物质”产生反应，但每个通路内部都存在独特的子区域，分别对其中一类表现出更强的反应。

“腹侧和背侧视觉通路似乎都存在这种细分：一部分更强烈地响应‘物体’，另一部分则更强烈地响应‘物质’，”Paulun 说。“我们以前从未观察到这种现象，因为从没有人提出过这个问题。”

吉森大学实验心理学教授 Roland Fleming（Fleming 并未参与此项研究）将这一发现描述为“在科学上理解我们大脑如何表征周围世界物理属性方面的一个重大突破”。

“从心理学角度，我们早就知道这种区别存在，但这是第一次将其真正映射到大脑中特定的皮层结构上。现在，我们可以进一步研究这些不同的大脑区域是如何运用不同的计算方式来处理和表征物体与材料的，”Fleming 说道。

物理互动

这些发现表明，大脑可能以不同的方式来表征这两类材料，这类似于视频游戏开发中使用的物理引擎。这些引擎通常将三维物体表示为可以进行整体变换的网格，而将流体表示为可以重新排列的粒子集合。

“由此我们可以得出一个有趣的假说：大脑或许也像游戏引擎一样，拥有独立的计算系统来表征和模拟‘物质’与‘物体’。这正是我们未来希望测试的方向，”Paulun 说。

研究人员还推测，这些大脑区域的形成可能是为了帮助大脑理解关键差异，从而规划如何与物理世界进行互动。为了进一步探索这种可能性，他们计划研究处理刚性物体的区域，在规划抓取物体的脑回路被激活时，是否也同样活跃。

此外，他们还希望探究 FPN 内的区域是否与处理更具体的材料特征（如液体的粘度或物体的弹性）相关。在 LOC 区域，他们计划研究大脑如何表征流体和可变形物质的形态变化。

https://news.mit.edu/2025/how-brain-distinguishes-oozing-fluids-from-solid-objects-0731