PNAS發表羅金紅教授團隊導航與生物學交叉研究成果

華大在線訊（通訊員 朱瀟瀟）近日，國際著名綜合性期刊Proceedings of the National Academy of Sciences，PNAS（美國科學院院刊，影響因子：12.78）發表了生命科學學院羅金紅教授課題組和武漢大學測繪學院李星星教授課題組的合作研究成果，論文題目為“Sensory Error Drives Fine Motor Adjustment”（https://doi.org/10.1073/pnas.2201275119）。我校研究生汪慧敏、武漢大學研究生周宇軒為論文的共同第一作者，武漢大學李星星教授和我校羅金紅教授為論文共同通訊作者。

羅金紅教授課題組以大蹄蝠（Hipposideros armiger）為實驗對象，利用聽覺反饋干擾行為范式解析了大蹄蝠發聲頻率調節的計算機制。實驗人員基于FPGA（可編程邏輯門陣列）技術首次搭建了聲信號輸入–輸出時延低于千分之一秒的實時變頻聽覺反饋干擾平臺，從而可以在線調節大蹄蝠接收到的聽覺反饋信息。通過創造聽覺感覺誤差，研究人員發現大蹄蝠呈現出了快速的頻率補償行為——發聲頻率改變方向與干擾頻率（感覺誤差）方向相反。

大蹄蝠發聲頻率改變方向與頻率干擾方向相反，呈現出頻率補償行為

該研究進一步發現，干擾頻率（感覺誤差）的大小影響大蹄蝠頻率補償的大小，但是兩者并不是簡單的線性關系。其中在正向50音分的頻移下，大蹄蝠的頻率補償行為最為明顯。這可能是因為正向50音分對應的飛行速度與大蹄蝠在自然狀態下的飛行速度最接近，蝙蝠對此實驗條件感覺更真實。

大蹄蝠在不同干擾頻率下的頻率補償

目前關于回聲定位蝙蝠發聲頻率調節的假說主要包括多普勒頻移補償（Doppler shift compensation）、干擾規避反應（Jamming avoidance response）和注意反應假說（Attention reaction hypothesis），但是這些現有的假說均不能完整地解釋本實驗的結果。隨后，研究人員將思路投向了人類言語的頻率調節假說——感覺誤差校準假說（Sensory error correction）。人類言語的頻率調節機制研究相對透徹，已經建立了高質量的數據計算模型。課題組經過不懈努力，成功將人類言語頻率調節的狀態反饋控制（Statefeedbackcontrol）模型應用到了大蹄蝠回聲定位聲波頻率調節上。在大蹄蝠上構建的狀態反饋控制模型不僅具有極高的精度（總體誤差僅為61Hz，約為大蹄蝠自然發聲頻率變異的四分之一），而且能解釋為什么同一只蝙蝠在不同聽覺反饋干擾條件下呈現出不同的發聲頻率調節行為，也能夠解釋同一條件下不同個體之間的顯著行為差異。

大蹄蝠發聲頻率調整的計算模型

該研究揭示了感覺誤差是驅動回聲定位蝙蝠動態發聲調節的基本機制，也說明盡管蝙蝠回聲定位和人類言語的功能完全不同，但是它們在聽覺反饋-發聲控制方面依賴共同的計算原理。

該研究得到了國家自然科學基金委面上項目、國際人類前沿科學“職業發展獎”等項目資助。

（審讀人：謝波）