人類大腦能快速區分面孔與無生命客體，并加工面孔的多維度社會屬性（如種族、性别、年齡等）。加工面孔的多維度屬性是複雜社會交往的認知基礎，相關的神經機制在人類和非人靈長類動物有廣泛研究，但對其它物種是否具有類似的面孔加工及相關認知和神經機制的研究較少，特别是，目前沒有關于人類和其它物種的面孔加工是否與相同基因關聯的實驗研究，開展相關研究對于從進化的角度理解面孔加工及其與社會行為的關系具有重要意義。
人類研究發現，孤獨症患者具有社交障礙，且面孔加工異常，其相關的一個高風險基因是Shank3。基于這些發現，beat365官方网站、IDG麥戈文腦科學研究所韓世輝教授課題組與中國科學院遺傳與發育生物學研究所張永清研究員（現任湖北大學教授）團隊開展合作，結合行為、眼動和神經電生理技術，研究野生比格犬和攜帶Shank3突變基因比格犬面孔加工的差異，2025年4月在Science Advances 發表了題為“Autism-like atypical face processing in Shank3 mutant dogs”的研究論文，揭示比格犬面孔加工的神經機制及關聯基因Shank3。
該研究第一部分包括三個實驗。面孔偏好行為實驗比較野生型犬和突變犬對面孔圖片以及非面孔圖片（房子）的自然選擇行為（圖一）。發現野生型犬偏好于面孔刺激，而Shank3突變犬則偏好于房子刺激。為了檢測突變犬的行為反映對房子的偏好還是對面孔的回避，實驗又比較了對房子和汽車的選擇行為，發現野生型犬和突變犬對這兩種刺激都沒有明顯偏好，提示突變犬對房子的偏好本質是對面孔的回避。倒置圖片的實驗結果證明，被試犬的偏好行為與圖片刺激的低水平視覺屬性無關。
圖一。（A）面孔偏好行為實驗範式。（B-D）面孔偏好行為實驗結果。
該研究進一步利用眼動追蹤技術，給被試犬同時呈現面孔刺激和房子刺激，比較野生型犬和Shank3突變犬對圖片刺激的視覺注視時間和頻率，發現野生型犬對面孔（比房子）的注視時間更長，注視次數更多，而突變犬對面孔的注視時間較短，注視次數也較少（圖二）。這種現象主要存在于對面孔眼睛區域的注視。此外，突變犬首次注視面孔的時間要顯著晚于野生型。
圖二。（A）眼動實驗範式。（B-G）眼動實驗結果。
為了揭示面孔加工的動态神經過程，該研究利用電生理技術手段，記錄了被試犬在觀看面孔與非面孔刺激的神經響應。發現，在刺激開始後100 ms左右，出現了一個對面孔特異響應的腦電成分（N1），但是Shank3突變犬的N1振幅顯著小于野生型犬，而對房子誘發的N1振幅大小與野生型犬無差異（圖三）。此外， Shank3突變犬對面孔刺激的響應時間（N1 latency）要顯著的晚于野生型。這些結果提示了突變犬與面孔加工有關的早期神經活動的異常。
圖三。（A）眼動實驗範式。（B-G）眼動實驗結果。
該研究第二部分包括三個實驗。面孔偏好行為實驗中使用不同物種（人和犬、黑猩猩和犬）以及不同品種犬（比格犬和哈士奇）的面孔，比較野生犬和突變犬對不同面孔圖片的自然選擇行為，發現野生型犬的行為選擇偏好于同物種（犬比人、犬比黑猩猩）或同品種（比格犬比哈士奇）面孔刺激。眼動實驗給被試犬同時呈現不同物種（人和犬、黑猩猩和犬）或不同品種犬（比格犬和哈士奇）的面孔，發現野生型犬對同物種或同品種犬面孔的注視時間更長。然而，突變犬沒有表現出這些行為或注視時間的偏好。這些結果提示野生型犬與人類類似，具備加工面孔高水平社會屬性的能力，但是，這些能力在Shank3突變犬有顯著損壞。最後，電生理實驗使用在人類研究中的重複抑制範式，研究被試犬面孔分類加工的神經動态過程，結果發現野生型犬對異類面孔的神經分類加工發生在刺激呈現後100毫秒左右，對同類面孔分的神經分類加工發生在刺激呈現後200毫秒左右（圖四），但是這些自動的面孔分類加工的神經過程在Shank3突變犬消失，提示Shank3突變導緻面孔神經分類加工的破壞。
圖四。（A）電生理重複抑制實驗範式。（B-I）電生理實驗結果。
該研究從多個水平揭示野生犬的面孔加工機制，為跨物種理解理解面孔加工的機制提供了新的科學依據，所發現Shank3突變孤獨症模型犬的面孔加工障礙，為孤獨症風險基因調控面孔認知加工提供了實驗依據，為研究孤獨症的面孔認知異常神經機制和治療提供了一個有效的動物模型。該論文第一作者為中國科學院遺傳與發育生物學研究所袁思琦博士，第二作者為beat365官方网站龐晨瑜博士。該論文的共同通訊作者為beat365官方网站、IDG麥戈文腦科學研究所韓世輝教授和中國科學院遺傳與發育生物學研究所張永清研究員（現任湖北大學教授）。中國科學院遺傳發育所的吳梁博士，英國林肯大學郭昆教授，美國耶魯大學姜永輝教授和beat365易莉教授等也對該研究做出了重要貢獻。該研究得到了國家重點研發計劃、國家自然科學基金、昆明春城計劃以及武漢市科技局項目的資助。
2025-04-25