螳螂蝦的視覺神經系統

邱慈暉老師 研究室

「A Different form of color vision in mantis shrimp」論文發表在國際知名 Science 期刊–103年1月

(中央社訊息服務20140226 14:45:20)螳螂蝦是已知生物中,擁有最多不同感光細胞的生物,螳螂蝦的眼睛有12種不同波段的感光細胞,成大生科系助理教授邱慈暉參與國際團隊研究,證實螳螂蝦12種感光細胞獨立運作,平行處理各波段的光線,使得螳螂蝦的彩色視覺系統有極高的效率,而且能快速辨識色彩中的波長組成,論文「A Different Form of Color Vision in Mantis Shrimp」刊登於2014年元月份Science期刊;邱慈暉表示這種視覺神經的了解,可望運用在光學領域,進一步提高平行處理效能的機制與技術。

生命科學系主任黃浩仁特別介紹邱慈暉助理教授是成大培育出來的人才,從學生時代他就有一雙巧手可以化腐朽為神奇,經常在倉庫裡搜尋可以再生使用的材料,重新組裝創造出新的儀器;邱慈暉助理教授也是生科系繼2005年陳虹樺教授的研究登上Nature期刊之後,第二位榮登NSC頂尖期刊的同仁,黃浩仁主任特別強調生科系是個大寶藏,大家都致力投入解開生物的神祕,並解決人類面臨的諸多問題。

生命科學院副院長曾淑芬表示,邱慈暉助理教授的研究非常出色,他的研究豐富我們生命的影像,但他除了是傑出的科學家,他還有一項極為獨特的功夫,他熱愛潛水和海下攝影,把自己的研究和嗜好結合,在研究的同時也享受人生,破除了一般人對科學家的刻板印象。

螳螂蝦俗稱蝦蛄,日本料理店的握壽司通常可以看到牠們的身影,根據螳螂蝦的手臂型態可將其區分為兩大類,一種是可以抓魚吃的鐮刀型,另一種是可以敲碎食物來吃的垂直型。螳螂蝦是演化上非常成功的生物,其生活史已超過好幾億年,而螳螂蝦最特別的地方是其眼睛,牠們的視覺系統非常特殊,因為生活在淺海,所以牠們有非常好的彩色視覺,另外,為了能夠精確的打到在海中快速移動的目標物,他們需要具備能夠快速準確判斷物體距離的能力,即使只剩一隻眼睛,也能完成使命。

生科系邱慈暉助理教授表示,一般生物的視網膜上僅有數個感受不同波長光線的細胞,例如人類的眼睛只有感受紅、綠、藍3個波段的感光細胞,比較3個波段的亮度即可偵測成千上萬的繽紛色彩。而螳螂蝦是目前已知的生物中,擁有最多不同感光細胞的生物,許多螳螂蝦的眼睛裏有偵測12種不同波段的感光細胞。

這數目除了遠超過精確辨識顏色所需,感光細胞接收到的資訊也超過螳螂蝦小小的大腦所能處理。為了瞭解螳螂蝦的大腦如何處理這數量龐大的視覺訊號,研究團隊訓練螳螂蝦去辨識各種波長的光線,也長期觀察螳螂蝦的行為,結果發現螳螂蝦的辨色能力非常差勁,與感光細胞的數目完全不成比例。

也就是說牠的色彩解析度非常差,只能看到12個原色而已,邱慈暉助理教授表示這是首次發現有生物利用平行處裡的方式來偵測環境的色彩。本研究結果證實螳螂蝦的12種感光細胞獨立運作,平行處理各波段的光線,使得螳螂蝦的彩色視覺系統有極高的效率。

除此之外,這種平行運作的視覺系統有著其他彩色視覺系統所沒有的獨門技巧。舉例來說,人類看到黃色的光線,是因為紅色與綠色感光細胞同時受到刺激,因此紅光加上綠光與單一波長的黃光在人類的眼中並無不同。不過螳螂蝦的平行處理系統便能夠輕易區分兩者的差異,就好像人類聽覺可以分辨同時按下鋼琴數個琴鍵的聲音。

為了瞭解螳螂蝦如何利用有限的腦力,來分時多工平行處理處理環境的繽紛色彩,研究團隊目前針對感光細胞到大腦之間的神經連結,將進一步分析螳螂蝦的神經傳遞了那些訊號,希望未來能夠仿照螳螂蝦的視覺神經系統,進一步提高平行處理效能的機制與技術。

「A Different Form of Color Vision in Mantis Shrimp」(獨特的螳螂蝦彩色視覺),是跨國完成的論文,共有4位作者,包括成大生科系的邱慈暉助理教授,澳洲昆士大學Hanne H. Thoen、Martin J. How、Justin Marshall等人。

訊息來源:新聞中心