研究揭示了大腦如何跟蹤運動中的物體，時間和速度是至關重要的因素

抓住一個彈起的球，或者用球拍擊球，這兩種行動都需要合理地估算觸球時間。一直以來，神經科學家都相信，大腦是通過計算物體的運動速度來完成這些動作的。然而，麻省理工學院的一項新研究表明，大腦使用的解決方法更加複雜。

新的發現表明，除了跟蹤速度之外，大腦還會收集有關物體運動節奏和規律的信息。例如，一個球彈跳一次的時間。在他們的新研究中，研究人員發現，當人們獲得關於移動物體速度和節奏規律（時間）的信息時，他們會對運動軌跡做出更準確的判斷。

「當人們掌握了這兩種信息時，他們會變得駕輕就熟，」 麻省理工學院生命科學教授、MIT麥戈文腦科學研究院院士Mehrdad Jazayeri說道。「這就像掌握了來自多種感官的信息輸入。當人們使用多種感官與現實世界交互時，人們會獲得更多的數據信息。」

運動中的物體

我們獲取周遭移動物體信息的方式主要靠視覺追蹤，利用物體速度和距離的信息，我們的大腦可以計算出物體到達某個特定點的時間。現實中很多的運動都是有節奏和規律可循的（比如彈跳的球），這激發了Jazayeri興趣——他專註於研究大腦是如何記住時間的。

「我們不禁想問，大腦怎麼會不利用這些信息呢？如果在我們對周圍事物的感知過程中，不利用這些飽含信息的瞬間，那可就太奇怪了，而且一切又會變成什麼樣呢？」Jazayeri表示。

大腦在面對許多感官處理任務時，會同時使用多個信息輸入源。例如，為了理解語言，我們不僅會利用聽到的聲音，還會捕捉說話者嘴唇的動作，當然前提是我們能看得到他/她。當我們觸摸一個物體時，我們會根據看到的大小，以及用手指感覺到的大小，估計它的實際尺寸。

至於感知物體運動軌跡的任務，如果刨除節奏和時間的作用，僅靠速度，可能很難完成。「我可以簡單地讓別人去做一項任務，但是我怎麼知道他使用的是速度還是時間？抑或是兩個都用？」Jazayeri說。

為了克服這個問題，研究人員設計了一種特殊任務，在這個任務中參與者可以控制有多少時間信息可用。然後他們再評估參與者在執行任務時的表現。

在這項任務中，研究參與者要觀察一個直線移動的球體。在經過一段距離之後，球會被障礙物擋住，消失在參與者的視野中。他們需要預測球體重新出現的時間，同時按下按鈕。

球體在被擋住之前暴露的距離長短不同，參與者的表現也有所不同。如果球體在視線中只經過了很短的距離，那麼參與者的表現就很糟糕。消失前的可視距離變得越長，他們就可以更好地計算球體的速度，因此判斷結果得到了改善，不過最終也會趨於穩定。

在一段時間的穩定表現之後，研究人員發現，當球體消失前經過的距離和障礙物的寬度一樣時，參與者的表現會大幅提高。這是因為他們知道，距離一樣而且速度保持不變時，球體在障礙物後面花費的時間與到達障礙物所用的時間相同。

當到達障礙物的距離變得比障礙物的寬度更長時，他們的判斷準確度便開始下降。

「擁有這些額外信息是非常重要的，當我們掌握它時，我們就會自然地使用它，」Jazayeri說。「瞬時結構（Temporal structure）非常重要，當你失去它時，即使以獲得更佳的視覺信息為代價，人們的表現也會變得更糟。」

信息整合

研究人員還測試了幾種電腦模型，觀察大腦是如何完成這項任務的。他們發現，唯一可以準確複製實驗結果的模型是，大腦在兩個不同區域分別測量速度和時間，然後將它們結合起來的模型。

以前的研究表明，大腦在前運動皮質進行時間估算，後者在規劃運動中發揮作用。而通常需要視覺捕捉的速度，是在視覺皮層中計算的。Jazayeri說，這些輸入信息很可能在負責空間注意力和追蹤物體的大腦部分中結合，即在頂葉皮層。

在未來的研究中，Jazayeri希望能夠測量受過訓練的動物的大腦活動，它們要執行與人類參與者一樣的任務。這可以進一步揭示這一過程發生的區域，並且還可以揭示在做出錯誤預測時，大腦的反應。

該研究由麥戈文腦研究所資助，發表於《美國科學院院刊》上。Jazayeri是該研究的領導者，麻省理工學院研究生Chia-Jung Chang是論文的第一作者。