视觉研究，终于找上了这位「伪装大师」

追问快读：当章鱼在海底岩石间如幽灵般隐匿身形，它那传说中的“九个大脑”分散式神经系统如何精准解读复杂的视觉信息？在生命进化的长河中，章鱼等头足类动物（Cephalopod）与人类分道扬镳已有五亿年，却各自发展出复杂而精确的视觉系统。数十年来，科学家们一直对头足类动物奇特而神秘的视觉机制感到好奇。如今，借助俄勒冈州的一个实验室的技术突破，研究者终于能从章鱼大脑中直接获取研究数据，为理解视觉感知的多元演化路径开辟了新途径。

一踏入实验室，他们的研究偏好便一目了然——天花板上悬挂着一只眼球外形的气球，门上方则是一尊血丝密布、血管突出的浮雕眼睛雕塑，仿佛在凝视着整个实验室。接着是章鱼元素：毛绒玩具、雕像、墙上的印刷品，以及散落各处的章鱼大脑3D打印模型。

克里斯托弗·尼埃尔（Cristopher Niell），这位俄勒冈大学生物学教授一生致力于研究不同物种和环境下的视觉系统。他坦言，自己“对随大流有点过敏”。例如，他并没有局限于视觉研究领域传统的动物模型（如猫和非人灵长类动物），而是帮助将斑马鱼和小鼠开发成新的研究模型。

但促使他开始研究章鱼的契机，源于其实验室现任研究员朱迪特·庞戈尔（Judit Pungor）。这位科学家自五岁起便痴迷于章鱼及其他头足类生物（Cephalopod）——她随父母参观加州蒙特雷湾水族馆，亲眼目睹了一只乌贼如魔术般瞬间消失于背景中，“那一刻，我的心跳都停止了。”

自2010年的一次临时起意的合作以来，这对搭档一直在尝试破解章鱼视觉系统。“在动物界中，只有三个群体经常使用它们的视觉来检测物体：头足类、节肢类和脊椎动物。而后两者的视觉研究已经相当透彻。”隆德大学感官生物学教授丹-埃里克·尼尔森（Dan-Eric Nilsson）介绍说，“科学家们记录了哺乳动物视觉皮层的活动，并弄清楚了眼睛中的光感受器如何对光线做出反应，以及神经环路中的大脑区域如何从场景中提取细节。”

然而，所有尝试记录头足类视叶（optic lobe）神经元活动（进而解析其视觉系统真实工作机制）的努力，皆因技术的限制而宣告失败。

“这一研究领域仍存在巨大空白亟需填补。”尼尔森表示。

▷克里斯托弗·尼埃尔（Cristopher Niell）的职业生涯都在寻找学习视觉的新方法。那个动力将他带到了头足类动物的世界。

该空白绝非源于学界对这一领域的关注不足。二十世纪的生物学家们发现：章鱼拥有与脊椎动物相似的眼睛和比任何其他无脊椎动物都大的大脑，但神经构造却像无脊椎动物一样。他们还记录了章鱼如何利用出色的视力来指导行为。

但这条研究之路已走到了尽头。章鱼与人类在进化上相隔超过5亿年。它们最起始的共同祖先没有视觉能力，因此两者之间的任何相似之处都很可能源于功能趋同（functional convergence），而不是“家族相似性”。

马萨诸塞大学阿默斯特分校的生物学家保罗·卡茨（Paul Katz）认为，研究头足类动物是“神经科学现在能做的最重要的事情，特别是研究头足类动物的视觉，可能会揭示塑造这种感官的‘力量’。”

最终是尼埃尔、庞戈尔及其团队构思出了研究这一领域的办法。

截然不同的神经回路

庞戈尔在斯坦福大学攻读博士期间的研究方向是章鱼视觉系统解剖学研究。与此前的头足类研究者们一样，她早已不满足于仅获得解剖结构或行为数据，而是想要探索神经元的实时活动机制。

▷ 章鱼的视觉处理的初始步骤发生在较长的视叶（画面左侧），而非视网膜（画面右侧）。图源：John.Z

但是，章鱼视觉系统的结构布局，极大增加了研究难度。脊椎动物的感光细胞位于眼底，受视觉刺激后激活；其信号需经视网膜内三级神经元传导处理，才从眼部传至丘脑和大脑皮层进行深度解析。而章鱼的感光细胞生成的信号却直通眼部外，初步处理完全发生于视叶的外层区域。

庞戈尔先是成功记录到了眼底的细胞信号，这是20世纪60-70年代的科学家也曾尝试过的，但当时对视叶信号的记录并未成功。“视叶区域与其他脑区一样，密布着许多微小细胞，根本无法从背景噪声中分离出单个神经元信号。”

后来，在导师的建议下，庞戈尔联系了当时在加州大学旧金山分校进行博士后研究的尼埃尔。导师认为，尼埃尔采用的多通道硅探针技术，相比庞戈尔的单电极记录方案或许更具优势。而尼埃尔在收到庞戈尔的合作邀请后，浏览了章鱼相关文献，他敏锐意识到这是视觉科学“完全未开发的研究领域”。

技术突破的核心价值远超钙成像技术本身——它最终证实了章鱼大脑系统具备科学研究可行性。

——萨姆·莱特（SAM REITER）

彼时，通过研究猫、小鼠和非人灵长类等哺乳动物，视觉研究已经建立了一系列核心理论，其中部分已经在昆虫身上得到了验证。诺贝尔奖得主戴维·休伯尔（David Hubel）和托斯坦·威泽尔（Torsten Wiesel）已通过实验证明了，初级视皮层的神经元主要响应视觉场景中的轮廓（如明暗交界处），而视网膜则响应单个像素点。该领域后续实验揭示了，大脑在构建场景时如何在视觉通路的每个环节转换信息：从最初的像素层面，到轮廓层面，再到纹理、运动、形状与面孔。

▷ 1981年，戴维·休伯尔（David Hubel）和托斯坦·威泽尔（Torsten Wiesel）因在视觉系统信息处理方面的开创性研究，揭示了视觉皮层神经元的感受野特性以及视觉信息的分层处理机制，共同获得了诺贝尔生理学或医学奖。他们的研究为理解大脑如何解析视觉信息奠定了基础，并推动了神经科学和人工智能等领域的发展。

尼埃尔认为：“视觉通路中的每个阶段都在提取不同特征，而非简单传递相同图像。”他想探究，章鱼是否遵循与哺乳动物相同的视觉处理机制，以及章鱼那截然不同的神经回路如何实现类似的视觉运算。

这次初次合作，庞戈尔曾驱车两小时，将一桶刚捕获的鱿鱼从斯坦福大学蒙特雷海洋站运到旧金山。他们试图在一周内记录鱿鱼神经信号，但实验最终完全失败——记录到的信号噪声过大，根本无法解析。最终两人只好分道扬镳，尼埃尔痴迷于科研却被求职事务缠身，庞戈尔则暗自忧虑自己浪费了他的时间。

尽管如此，五年后，当尼埃尔赴芝加哥大学作学术报告时，与即将完成博士后研究的庞戈尔再次相遇。彼时庞戈尔已参与破译首个头足类动物基因组，尼埃尔则在俄勒冈大学建立了独立实验室。如今他距终身教职仅一步之遥，按捺不住想挑战非常规课题的冲动。两人当即决定重启这项实验。

于是，庞戈尔飞抵俄勒冈州进行新一轮实验，并参加尼埃尔实验室的职位面试。这次他们尝试钙成像技术——这类技术常用于表达遇钙发光的特殊蛋白的转基因动物实验，尼埃尔之前在斑马鱼视觉研究中用过该技术。当时基因改造法尚不成熟，他采用了“团注法”（bolus-loading）：将大量钙指示剂染料注入大脑，使其被细胞吸收。

他们将米粒大小的鱿鱼置于培养皿中，往它身上倒钙指示剂染料。鱿鱼体型小，染料能够渗入外层并浸润内部神经。初时鱿鱼静止，未观察到任何反应，但当它游动时，就会“爆发式发光”。二人由此证明，钙成像技术能够捕捉头足类动物的神经活动。

在庞戈尔看来，“这提供了破解谜题的钥匙。”于是，她接受了尼埃尔实验室的职位，并开始将其从仅限老鼠的研究转变为同时研究老鼠和章鱼。尽管后来为了完善实验方案还耗费了他们七年时间，但解析章鱼视觉系统已不再遥不可及。

成功记录视叶信号

庞戈尔已记不清首次捕捉到细胞视觉反应的确切日期，“可能是2015或2016年”，不过他清晰地记得那是一个周三晚上的8点。他在空荡的实验楼走廊狂奔，狂喜呼喊着寻找能分享喜悦的人，最终撞见隔壁实验室的研究生，迫不及待地和他分享了喜讯。

然而，长期以来，头足类实验的失败率一直很高。庞戈尔专门建立了一份“灾难记录表”，其中包含五十余项追踪参数，从水温起止值与pH值、钙指示剂用量，到各类溶液配方等。有时候，实验看似操作无误，但视叶神经元就是对视觉刺激毫无反应。

▷ 经过十年研究积累，神经科学家Judit Pungor（左）和Angelique Allen（右）与Cristopher Niell团队成功将钙成像技术应用于章鱼视觉系统研究。

直到2022年，庞戈尔与研究生安琪莉克·艾伦（Angelique Allen）终于摸索出关键参数，成功在章鱼视叶中稳定记录到视觉反应信号。他们以加州双斑章鱼（Octopus bimaculoides）为研究对象，在一个注满低温海水的3D打印制成的黑色装置“脑成像暗箱”中进行实验。

这一装置就像一个迷你电影院，以供章鱼眼睛观看：主舱内有一个小的凸起平台，作为隔离的眼睛和大脑的前排座位；平台对面有一个狭缝，里面放置了一个智能手机大小的LCD屏幕，播放黑白电影，包括闪烁的方块、移动的点以及扫过的条形图案。与此同时，艾伦运用钙成像技术捕捉脑组织活动。屏幕配备可拆卸滤光片，以便艾伦测量对亮度或偏振的反应——章鱼可能是色盲，但能够探测到物体表面反射的不同角度的光线。

实验准备就绪后，艾伦将钙指示剂精准注入视叶两处靶点，铺上一层琼脂糖使其固定，再将玻片安置于暗箱平台。她手持反光镜置于屏幕与平台之间进行光学校准，确保眼球与屏幕相对，检查瞳孔是否正对显示屏。

艾伦将暗箱固定在双光子显微镜下，拉下设备的遮光帘，然后端坐计算机前，按下首段影像的播放键。数据采集前，他会先用脉冲光检查细胞对视觉刺激的反应。在显微镜监视屏上，视叶原本呈现微弱的绿色，而当闪光扫过的瞬间，绚丽的荧光波浪如烟花余烬般在神经组织间缓缓漫溢。

随即，向实验样本播放黑白影片，同步捕捉神经组织动态信号。在数据分析程序中处理图像后，细胞的活动看起来更像是串灯的闪烁。

▷ Niell的团队使用钙成像捕获了章鱼视叶神经元的视觉反应（荧光绿色）. 来源：Niell's Lab

建立章鱼视觉处理框架

通过这些实验，尼埃尔团队描绘出了章鱼视觉信息处理的基础框架。

钙成像实验显示，其视叶具备脊椎动物视觉系统的多项关键特征。部分神经元对光照增强产生响应，这被称为开启响应型（on-responsive）；另一部分则对光照减弱起反应，被称为关闭响应型（off-responsive）。此外，这些神经元是以视网膜拓扑方式组织的，也就是说，那些对视野中相邻区域敏感的细胞，在大脑中也彼此相邻排列。

尼埃尔指出，“大相径庭的进化路径竟殊途同归，都采用了‘在脑中构建空间认知地图’的解决方案。这说明，空间信息的最佳组织下，视觉系统的表现最佳。”

随着对视叶的层层深入，神经元的反应特性也发生变化：大多数关闭响应神经元位于较深层的脑区中，而那个区域中的开启响应神经元对较小的刺激更敏感。这种选择性差异证明，视觉环路的每一级都在主动提取特定信息进行特征并转化，而非被动传递，这同哺乳动物的处理逻辑是一样的。

尼埃尔表示，到目前为止，这两种发现都与脊椎动物和节肢动物的视觉工作原理一致，并且完美解释了视叶在群体层面的工作机制。现在研究人员有了理论框架，他们还想要填补细节，比如单个神经元正在做什么，它们被调谐到什么（可能如脊椎动物般针对线条朝向或运动方向），以及它们如何解析光波的偏振角度。

研究头足纲动物，是目前神经科学能做的最重要的事情。

——保罗·卡茨（PAUL KATZ）

“头足类的大脑曾是个黑箱，现在他们把它成功破解，”冲绳科学技术振兴机构（Okinawa Institute of Science and Technology）的副教授萨姆·莱特（Sam Reiter）如此说。这位专攻计算神经行为学的学者指出，20世纪30-40年代的失败尝试导致学界长期流传着对头足类大脑研究的谣言和教条，认为对头足类大脑进行生理实验是不可能的。尼埃尔团队的研究打破了这种观念。“其价值远不止对钙成像技术的成功应用，更证实了这类生物大脑是可以研究的。”受到尼埃尔团队事迹的鼓舞，莱特团队已着手在鱿鱼等物种中开展跨物种的活体神经电生理实验计划。

辛辛那提大学生物学与神经科学教授埃尔克·布施贝克（Elke Buschbeck）也认为，尼埃尔团队迄今收集的数据“填补了空白”。将这种尚未被深入研究的生物纳入神经科学研究是很有价值的，因为“在不同物种间发现神经编码的共同规律，才能真正揭示视觉系统最核心的组成要素。”

▷ 加州双斑章鱼（学名：Octopus bimaculoides）图源：inaturalist.org-Andy Cracchiolo

研究团队对成像技术的优化，使数据清晰度足以分析单细胞层面的响应，而不仅限于群体层面。尼埃尔表示，目前已观测到“有趣的选择偏好模式”。通过单细胞RNA测序，研究人员还绘制了视叶细胞图谱。待遗传学工具发展到一定程度，将能够同步解析神经元的分子身份与功能偏好关联性，并研究特定亚型神经元被沉默时所引起的效应。

团队还锁定了若干更深远的研究课题，比如视觉系统在发育过程中是如何形成的，章鱼是否以与其他动物处理颜色相同的方式处理偏振光，以及章鱼如何使用它们的偏振视觉。

时至今日，研究团队的实验仍时有波折，面对挫折也常束手无策，当然他们现在更能接受挫折的存在。庞戈尔常会回想起学界探索章鱼视叶神经活动的漫长历程，以及在这一领域曾经的折戟沉沙。而此时此刻，自己却“在俄勒冈州尤金市的实验室里，日复一日地记录着视叶的玄妙律动。”感受生命，心怀敬畏。

编译后记

翻译这篇关于头足类视觉研究的报道，挑战在于精准转化跨学科术语（如“视叶”拓扑组织、钙成像“团注法”）并保留原文的叙事张力。文章内容并不复杂，对科学探索过程的描述也不尽详细，但身为相关行业学生，我相信研究团队在探索一个未知领域时必然会面临无数失败，我惊叹于尼埃尔团队精心钻研、克服钙成像技术壁垒的能力，也感叹于他们勇于探索疑难问题的决心。面对这样不慕名利的钻研，就像研究人员面临科学问题感到的“敬畏和渺小”一样，我也深感敬畏。

原文链接：https://www.thetransmitter.org/vision/cephalopods-visions-next-frontier/

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