我们的大脑是如何在眨眼之间，精准区分一颗在地面上弹跳的球，与一滩在桌面上缓缓流淌的水的呢？长期以来，神经科学领域对固体物体（“事物”）的视觉处理机制进行了深入研究，但对于液体或颗粒状物质（“物质”）的感知过程却鲜有涉猎。麻省理工学院（MIT）的神经科学家们近期发布的一项开创性研究，首次揭示了大脑视觉皮层中存在专门区域，能够对这两种截然不同的物理形态进行独立且偏好性的分析。这一发现不仅为我们理解大脑如何构建复杂物理世界的表征提供了新视角，更对大脑规划与环境交互的策略具有深远意义。
区分“事物”与“物质”的神经基础
想象一个球沿着楼梯弹跳而下，再想象一束水流沿着同样的楼梯倾泻而下。球体和水流的行为模式截然不同，而研究表明，我们的大脑确实拥有不同的区域来处理这两种类型的物理物质。这项最新研究深入探讨了大脑的视觉皮层，发现其中某些部分在观察“事物”——例如坚硬或可变形的物体，如弹跳的球——时会表现出更强的响应。而其他脑区则在观察“物质”——如液体或沙子等颗粒状物质——时更为活跃。
这种之前从未被发现的大脑区分能力，可能在大脑规划如何与不同类型的物理材料进行交互时发挥关键作用。正如麻省理工学院麦戈文脑研究所成员兼该研究的资深作者南希·坎维舍尔教授所指出的：“当我们观察某种流体或粘稠物质时，与之互动的方式与处理坚硬物体截然不同。对于坚硬物体，我们可能会直接拿起或抓住它；而对于流体或粘稠物质，我们可能需要借助工具来处理。”这种基于物质属性的交互策略差异，恰好解释了大脑为何需要发展出如此精细的感知与处理机制。
此前数十年的脑成像研究，包括坎维舍尔教授早期在内的诸多工作，已经揭示了大脑腹侧视觉通路中与识别三维物体形状相关的区域，例如外侧枕叶复合体（LOC）。此外，大脑背侧视觉通路中的额顶物理网络（FPN）则主要分析材料的物理属性，如质量或稳定性。然而，这些研究绝大多数都集中于固体“事物”的感知。正是基于这一空白，该研究的第一作者、即将加入威斯康星大学麦迪逊分校的麻省理工学院博士后维维安·保卢恩及其团队，决定深入探究大脑如何感知“物质”。
实验设计与发现：双通路中的亚区分化
为了探索大脑如何处理这些流体或颗粒状物质，保卢恩博士利用专为视觉效果艺术家设计的软件，创建了超过100段视频片段。这些视频展示了不同类型的“事物”或“物质”与物理环境的互动，例如材料在透明盒子中晃动或翻滚、被投掷到另一个物体上，或者沿着楼梯弹跳或流动。研究人员随后使用功能性磁共振成像（fMRI）技术，扫描了志愿者在观看这些视频时的大脑视觉皮层活动。
研究结果令人振奋：他们发现，无论是LOC还是FPN，都对“事物”和“物质”产生响应，但每个通路都拥有独特的子区域，对其中一种材料表现出更强的偏好性响应。保卢恩博士强调：“腹侧和背侧视觉通路似乎都存在这种细分，其中一部分对‘事物’响应更强，另一部分对‘物质’响应更强。我们之所以此前未曾发现，是因为没有人提出过这样的问题。”这项突破性的发现填补了神经科学领域的一个重要空白。
德国吉森大学实验心理学教授罗兰·弗莱明（未参与此项研究）将这些发现描述为“在科学理解我们大脑如何表征周围世界的物理属性方面的一个重大突破”。弗莱明教授指出：“我们长期以来在心理学层面已知这种区分的存在，但这是首次将其真正映射到大脑中独立的皮层结构上。现在，我们可以开始研究不同的脑区在处理和表征物体和材料时所使用的不同计算方式。”这一评价充分肯定了该研究在理论和实践上的重要价值。
物理交互：大脑作为“物理引擎”的启示
这项研究的发现引人深思，它暗示了大脑可能以不同的方式来表征这两类材料，这与用于创建视频游戏图形的人工物理引擎有着异曲同工之妙。在这些引擎中，三维物体通常被表示为网格，而流体则被表示为可以重新排列的粒子集合。保卢恩博士提出一个引人入胜的假设：“我们可以从中学到一个有趣的假说，即也许大脑，类似于人工智能游戏引擎，拥有独立的计算方式来表征和模拟‘物质’和‘事物’。这将在未来进行测试。”这一理论框架为理解大脑的计算机制提供了新的方向。
研究人员还推测，这些区域的形成可能旨在帮助大脑理解重要的区分，从而使其能够规划如何与物理世界进行交互。为了进一步探索这种可能性，研究人员计划研究处理坚硬物体的区域是否也与大脑中参与规划抓握物体的回路活跃相关。例如，当我们看到一个苹果时，是直接激活了负责抓握的神经通路，还是首先通过“事物”处理区域对其进行识别和分类？
此外，他们还希望探究FPN内的任何区域是否与材料的更具体特征（如液体的粘度或物体的弹性）的处理相关联。例如，我们是如何分辨出蜂蜜的粘稠与水的清澈？或者一个橡胶球与一个木球的弹跳差异？而在LOC中，他们计划研究大脑如何表征流体和可变形物质的形状变化。这些深入的问题将有助于我们构建一个更加完整的大脑物质感知模型，并为开发更智能的人工智能系统和机器人提供神经科学基础。
展望：构建更精密的智能感知系统
这项由德国研究基金会、美国国立卫生研究院以及美国国家科学基金会资助的麻省理工学院大脑、心智和机器中心进行的跨学科研究，为理解人类视觉系统如何解析和应对复杂多样的物理世界奠定了坚实基础。通过揭示大脑区分“事物”和“物质”的独特机制，我们不仅对大脑的精妙设计有了更深层的认识，也为未来人工智能在机器人操作、虚拟现实以及物理模拟等领域的发展提供了宝贵的神经科学启示。随着研究的深入，我们有望开发出更具仿生性、更智能的系统，使其能够像人类大脑一样，灵活而准确地理解并交互我们所身处的物理环境。
