全 文 ：第24卷 第12期
2012年12月
生命科学
Chinese Bulletin of Life Sciences
Vol. 24, No. 12
Dec., 2012
文章编号：1004-0374(2012)12-1380-04
用心看，用眼听，目遇之而为声
穆　宇*，李小泉
(中国科学院上海生命科学研究院神经科学研究所, 上海 200031)
收稿日期：2012-09-17
基金项目：国家重点基础研究发展计划(“973”计划)(2011
CBA00400)；国家重大科学研究计划(2012CB945101)
*通信作者：E-mail: dexter@ion.ac.cn
喧闹酒会，若你凝视交谈对象，亦能听清对方
的轻言细语；而即便宁静夏夜，如果你目光游离，
心不在焉，耳边的话语也会难以察觉。一盘色泽艳
丽同时香气扑鼻的菜肴，顿时让食欲大开；但若有
香无色，滋味又会大打折扣。清醒的时时刻刻，每
个人都在接受着多种感觉信息输入，我们用眼、耳、
鼻、舌等器官分别获取着视、听、嗅、味等信号的
输入。这些由单个感觉通道接受和加工感觉信号的
形式被称为单模态感觉处理。然而，我们感知的绝
大部分外部事件，同时会具有多个模态的感觉信息。
不难想象，为了使对环境事件的感知更加准确，大
脑势必将这些被分解到单模态的信息，以某种方式
重新合拢加工，形成相对于单模态信息更加有效的
感知。很显然，多感觉信息合拢加工的过程，是大
脑的一个基本功能。
虽然是大脑的基本功能，目前国际上对多感觉
信息加工的研究多集中在行为学与心理学层面，对
其神经环路机制的研究还少有涉足，还没有发现一
个相对细致的神经机制来解释任何一种多感觉信息
加工的发生过程。两个原因造成了这种研究现状。
其一是多感觉信息加工发生的普遍性，它时刻在我
们大脑中进行，在行为学、心理学层面只需细致地
观察检测，就能发现有趣且重要的现象。例如 1954
年发现的“鸡尾酒会效应”，Sumby和 Pollack从心
理物理学角度估测视觉输入可等价于 15~20分贝的
听觉输入。又如 McGurk 和 MacDonald在 1976年
报道的“McGurk effect”中，描述了看到的发音口
型与真实声音不一致时，会产生错觉，“听”到介
乎二者之间的发音。第二个原因，则是介导多感觉
编者按：处理外界输入的感觉信息，准确感知周围环境是
大脑最重要的功能之一。在过去几十年里，单独感觉信息
的加工机制已经被广泛地研究，其神经机制也逐渐被人们
所了解。但是，在真实的生活场景中，往往有多种类的感
觉信息一起输入大脑，并经过组合，引起综合的输出。受
限于实验手段，科学家一直很难同时对多种感觉信息加工
进行研究，不能用微观观察到的实验现象圆满地解释宏观
发生的多感觉感知，因此多感觉模态信息加工的神经机制
到现在依然很不清楚。杜久林实验室创造性地想到使用斑
马鱼这一模式生物，对清醒的动物给予多种感觉刺激并进
行细致的电生理学记录，终于探索出一套从视觉神经结构
发起，对听觉信息处理过程进行调节的神经机制。这种跨
感觉模态调节的神经机制，第一次将微观的细胞学变化无缝连接到宏观的多感觉信息处理；同时，它也展
示了一种研究的方法过程，帮助今后的多感觉研究能更加深入地开展。
∙ 发现的历程 ∙
穆　宇，等：用心看，用眼听，目遇之而为声第12期 1381
信息加工的神经环路异常复杂，这直接造成了对多
感觉信息加工的研究难以深入到神经机制层面的困
境。我们知道神经系统是与宇宙星系等量齐观的复
杂系统，即便在小鼠这样的小型哺乳动物中，介导
单个感觉模态的神经环路已经十分复杂，从外周往
中枢，也只是在最初的几个节点相对清楚。如果要
涉及到多感觉模态的加工，在结构上必然涉及到单
模态感觉通路的相互汇集，其中的复杂度更是不言
而喻。
尽管如此，随着神经科学的发展，多感觉信息
加工神经机制的研究得到了越来越多科学工作者的
重视，并且逐步对其有了更多的了解。根据已有的
研究工作，可以宏观上将多感觉信息加工分为两个
大类。一是多感觉信息整合，即两个感觉通道的神
经环路汇集到同一个下游目标节点上，从而将各自
的神经电信号贡献到下游节点的神经活动中，形成
一种新的合并的感知。另一种多感觉信息加工的模
式是跨感觉模态调节，即一个模态的感觉输入，会
通过改变第二个感觉模态通路的工作状态来调节该
感觉通路的信号加工。
在多感觉信息整合的研究中，从 20世纪 80年
代开始，Stein和他的同事们在猫的上丘中做了开创
性的工作。他们通过细胞外记录发现，在猫的上丘中，
有些神经元会同时对多个模态的感觉刺激都产生反
应，例如视觉刺激和听觉刺激都分别能引起同一个
神经元的放电。继而，他们以此为研究对象，分析
了当动物同时接收多个感觉模态刺激时，这些上丘
神经元如何产生与单个模态刺激不同的反应 [1]。接
下来，Angelaki实验室 [2]以及 Logothetis实验室 [3]
在恒河猴上开展了一系列工作，从多感觉整合的角
度，分别在视觉通路和听觉通路中显示了这种多感
觉整合现象的存在。而对于跨感觉模态调节的研究，
探索工作则很少，在我们工作发表之前，最前沿的
研究来自于 Schroeder实验室，他们同样通过监测
灵长类皮层中的胞外电活动，发现一个通路的感觉
输入虽然不引起其他感觉通路神经元的放电，但可
以显著调节这些神经元对其特定感觉输入的反应 [4]。
上述这些最近的研究进展虽然在行为学研究上往前
推进了一步，但由于所涉及神经环路的复杂性，下
述三个问题依旧没有答案：(1)在结构上，多个模
态的感觉信息如何由不同的神经环路汇聚到一起；
(2)在机制上，当多个感觉通路的输入汇聚时，经
过了怎样的变化，从而实现神经功能的改变；(3)
在动物行为上，这种汇聚形成的神经信号，如何决
定或改变动物的行为。
在神经科学乃至整个生命科学的发展史上，新
的模式生物的应用往往能带给一个领域克服过往瓶
颈的契机，正如果蝇之于神经遗传学领域的开创，
正如线虫之于细胞凋亡原理的发掘。斑马鱼，因其
所拥有的研究特点，在神经科学功能性研究中的作
用日趋重要。首先，斑马鱼拥有相对简单的神经环
路。人类大脑中的大部分脑区 (尤其那些功能重要
且保守的脑区 )，都能在斑马鱼的大脑中找到对应
的同源脑区。在拥有足够复杂度的同时，斑马鱼幼
鱼的大脑神经元总数只有约 10万个，相对于人类
大脑拥有近 1000亿个神经元而言，其神经环路相
对简单了多个数量级。第二，斑马鱼幼鱼脑部透明，
利于在整体动物上进行神经环路功能和形态研究。
第三，遗传背景清楚，基因操作工具在斑马鱼中的
应用已日渐丰富。结合这三点优势，我们就拥有了
回答前面提出的三个问题的可能性：简化的神经环
路结构以及遗传操作带来的可视化 (例如对特定感
觉通路神经元的荧光标记 )，会帮助我们找寻多感
觉信息汇聚的结构基础；脑部透明和简化的环路，
使得我们可以用在体电生理和成像技术，详尽展示
目标脑区神经元的工作机理；简化的环路，使得感
觉输入到运动输出的神经通路环节较少，易于解析
多感觉整合产生的神经功能的改变如何影响动物的
行为。
基于这些考虑，我们选用了斑马鱼幼鱼来破解
多感觉整合的神经环路机制。首先，我们建立一个
稳定表征多感觉整合发生的行为学范式。斑马鱼以
及大部分的硬骨鱼中，都存在一种听觉引起的逃跑
行为，称之为“C形逃跑”[5]。由于声音在水中传
递速度快、衰减慢，因此相对于其它感觉，听觉在
快速判别环境危险过程中更加重要。而“C形逃跑”
便是鱼类远离危险源 (往往伴随突发的声音刺激 )
的最快行为反应。斑马鱼在接收到威胁性的声音刺
激之后的短短 20~30 ms内，其躯体一侧肌肉就会
发生大规模的强力收缩，使得其整个躯体尤其头部，
朝向刺激源相反的方向转动，继而快速逃离。在此
过程中，鱼的身体会弯曲为一个“C”形，由此得
名“C形逃跑”。作为一种事关生死的行为，“C形
逃跑”虽然主要由声音刺激引发，但我们有足够的
理由去猜想，它的发生会受到动物所处环境中其他
感觉信号 (例如视觉 )的影响。于是，我们通过摸索，
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建立了一套稳定的发生跨感觉模态调节的行为学范
式。在这个行为范式中，闪光视觉刺激本身并不引
起任何“C形逃跑”，但是能大幅度提高随后声音
刺激引起的“C形逃跑”发生的概率。在此基础上，
利用活体电生理记录的方法，我们证实了在执行“C
形逃跑”最关键的“命令”神经元上 [5]，听觉产生
的电反应有效地被闪光刺激所调节；对应的，闪光
刺激本身并不能在该命令神经元上引起明显的电反
应 [6]。
基于在动物行为和神经元活动上观察到的跨感
觉模态调节现象，接下来我们着手从突触和神经环
路两个层次上探究这种调节现象背后的神经机制。
首先，运用多种研究手段，包括电生理、药理学、
基因操控、荧光追踪等方法，我们发现视觉输入导
致在命令神经元上听觉反应的增大源于两步协同的
调控。在命令神经元的上一级，即听神经上，与背
景噪音相关的自发放电活动被视觉刺激大幅度抑
制，而听觉刺激引起的听神经放电则基本不变，从
而导致听觉神经信号的信噪比提高；同时，从听神
经到命令神经元的突触传递也被视觉刺激所增强。
因此，通过这两步协同调节，神经系统实现了在不
放大噪音的情况下，选择性地将听觉反应增强，从
而提高听觉引发逃跑行为的灵敏度和准确度 (图 1)。
那么，在神经环路层次上，视觉输入又是如何
作用到听觉运动通路上的呢？其结构基础是什么？
通过进一步的实验，我们得到了更加有趣的发现。
在脑中，有多种调质系统，它们的细胞体集中，但
轴突投射遍布大脑的各个脑区，因此能广泛地调节
大脑的功能状态 [7]。多巴胺能系统便是调质系统中
的一个主要成员。我们发现，视觉引起的上述两步
调节都依赖于多巴胺 I型受体的激活。而引起这些
受体激活的多巴胺，则来自下丘脑的一个多巴胺能
神经元核团。更进一步地，我们证实了这团多巴胺
能神经元的确能够被视觉输入激活，从而起到一个
视觉输入进入听觉运动通路中继站的作用。由于调
质系统广泛地渗入到各种感觉通路，而调质系统又
可能接收各种感觉模态的输入，由此我们发现的这
种“感觉模态 A→调制系统→感觉模态 B”的模式，
很有可能是一种普适的神经构架，来广泛介导跨感
觉模态的调节。同时，我们发现的先“降噪”再“增
效”的两步调节，作为调质系统的作用机制，可以
有效地调节神经环路对于感觉信息反应的准确度与
灵敏度。这种协同机制是否广泛存在是一个有趣的
问题，可以在更广泛的神经环路内予以探究。
这种基于整体动物的研究，赋予了我们在更宏
观尺度上进行思考的空间。我们发现的跨模态调节，
除了能够增加听觉引起“C形逃跑”本身，还有什
么生态学上的意义呢？结合斑马鱼在自然环境中的
生活习性，这种跨模态调节可能具有多方面的生态
学意义 [8]。比如，斑马鱼常常生活在水草茂密的环
境中，这种自然环境除了能提供充足的食物，还能
作为掩蔽所为其提供躲避敌害的荫庇。一旦有大型
的捕食者进入，势必扰动水草，打破原有静谧。此
时快速表征这种入侵的信号，就是视觉上光亮的突
然变化。当动物察觉到环境光强的变化时，迅速提
高警觉，增强对危险信号感知的灵敏度，从一种休
闲的觅食状态，转到另一种高度紧张的备战状态，
这是一种很利于生存的策略。更有意思的是，斑马
鱼是一种群居动物，拥有极强的鱼群组织。鱼群中，
当任何一条鱼，从光线较暗的内部切换巡游到光线
穆　宇，等：用心看，用眼听，目遇之而为声第12期 1383
较亮的外部时，首先感知到的，就是光强的变化。
倘若发生这种光强的提高，鱼儿将提高警觉，鱼群
就会形成一个非常有趣的群体组织：内部放松，只
需要追随；外部灵敏，充当整个鱼群的“耳目”。
从分子到突触到环路，从环路到行为，再从行
为到生态意义的思索，当我们把这整个过程在实验
和思路上贯通时，所感受到的美妙沁人心脾，其间
一个个小故事更是如星辰，点缀于这条主干周围。
最后，简单描述一下这些星辰中的第一个，以飨读
者。那是我们探索的起点，其实源于一次偶然的干
扰：在尚未开始这个课题的一个下午，当我在记录
听觉反应时，一位同事在实验台边的进出，导致了
听觉反应的陡然变化。这个变化冲击了我那一时刻
的平静，反复模拟同事的进出，思索，并最终确定
是视觉的扰动带来这种听觉反应的变化。从那一刻，
我们扬帆，开启这一科学问题探索的航程。
苏子赋云：“耳得之而为声，目遇之而成色，
取之无禁，用之不竭。”在这一次科研的远航中，
我们将苏子之词句做了两层意义的引申。第一层是
“目遇”亦可以“为声”，即视觉输入可以调节听觉
感知；再深一层，“目遇之为声，取之无禁，用之
不竭”则似乎概括了我们发现的历程。“目遇之为
声”，从与预想不同的角度去思考，不拘于既有的
研究方向，才有了“用之不竭”的思路与探索空间。
故以此句与读者共勉：科研路上，用心看，用耳听，
目遇亦可为声，无拘无束，用之不竭。
致谢：感谢杜久林研究员对研究工作的指导和对本
文的修改。
[参 考 文 献]
[1] Stein BE, Stanford TR. Multisensory integration: current
issues from the perspective of the single neuron. Nat Rev
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[2] Angelaki DE, Gu Y, DeAngelis GC. Multisensory
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[3] Kayser C, Logothetis NK, Panzeri S. Visual enhancement
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[4] Ghazanfar AA, Chandrasekaran CF. Paving the way
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[5] Eaton RC, Lee RK, Foreman MB. The mauthner cell and
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[6] Mu Y, Li XQ, Zhang B, et al. Visual input modulates
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[7] Berger B, Gaspar P, Verney C. Do pa minergic innervation
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[8] Engeszer RE, Patterson LB, Rao AA, et al. Zebrafish in
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