赫尔曼陆龟自发探索中的互补性半球功能

《Behavioural Brain Research》：Complementary hemispheric functions during spontaneous exploration in Hermann’s tortoises

　　

本研究考察了赫尔曼陆龟（Testudo hermanni）在新异环境自发探索过程中的行为偏侧化（behavioural lateralization）是否存在及其方向，并检验该偏侧化是否受性别调节、在不同测试阶段是否稳定，以及注意偏向（注视方向）与运动/空间探索模式之间是否存在功能分离。46只成年赫尔曼陆龟（24只雄性）在无显著刺激的半自然化实验装置中完成三次10分钟的自由探索测试。研究同时采用人工行为编码（Boris软件）与自动化追踪（EthoVision软件）提取行为变量。结果显示，陆龟表现出互补的偏侧化模式：注视更频繁地指向右侧角落（提示左半球参与视觉运动控制），而触觉接触更多指向左侧角落、总停留时间偏向左侧（提示右半球参与应答准备）；雄性表现出更强的偏侧化空间探索，进入左区更频繁、在中性区与右区之间交替更频繁，而雌性未表现显著偏侧化。部分偏侧化效应在仅含首次无刺激测试的数据中依然存在，提示其具有一定稳定性。上述发现支持龟鳖类存在保守的半球特化（hemispheric specialization），并与Andrew提出的半球功能分工模型相符。

研究背景方面，脑偏侧化（brain lateralization）曾被视为人类独有特征，现已被证实广泛存在于脊椎动物与无脊椎动物中，被视为中枢神经系统的基本组织原则，可通过避免神经组织重复、减少冲突性应答干扰及提升双任务表现等途径赋予偏侧化大脑优势。在许多物种中，偏侧化方向在群体水平上趋于一致，一种有影响力的解释认为这与社交协调需求有关，可提升群体行为的可预测性与同步性。在具有侧位眼的脊椎动物中，常以单眼呈现刺激或分析自发用眼偏好来推断对侧半球的功能分工；总体趋势为右半球关联生物相关或新异刺激的快速检测及情境适宜应答的启动，左半球关联持续注意、精细视觉运动控制及常规行为调控。Andrew提出的全局模型进一步区分了右半球系统（对应答释放刺激与新异性保持准备）与左半球系统（对ongoing应答的视觉控制与维持）。爬行动物因可能保留与鸟类、哺乳类共同祖先的重要神经架构特征，对探究偏侧化的演化根源具有特殊价值；已有蜥蜴研究在捕食、逃逸与探索行为中报道了与上述模型大体一致的模式，中性环境探索中右半球优势表现为迷宫探索左转偏向及检视开阔区域时偏好左眼。然而龟鳖类（Testudines）研究相对稀少：早期研究报道赫尔曼陆龟腹甲朝天翻正存在右向偏向，但部分水龟物种结果不一致，提示该运动偏侧化可能受物种特异性因素影响；后续研究显示赫尔曼陆龟在镜面存在时偏好左眼检视（右半球编码社会信息），无镜面时更多使用右眼检视环境（左半球参与动作调节与刺激分类），但镜面条件下 initiation 运动时偏好右前肢，被解释为支持效价假说（valence hypothesis）；阿尔达布拉巨龟（Aldabrachelys gigantea）休息时头朝右、左眼暴露于环境，欧洲池龟（Emys orbicularis）在反捕食情境中逃逸与翻正反应呈左侧偏向。现有文献既有支持半球功能分离的证据，也存在部分不一致结果，提示半球特化可能受生态情境、行为领域或物种适应性调节。为此，研究人员以赫尔曼陆龟为对象，在无食欲驱动的自发探索任务中，从注意偏向（注视方向）、运动偏向（接近与触觉互动）及空间探索策略（区域进入与交替）多层面考察偏侧化，主要目的在于检验自发探索中新异环境行为偏侧化的存在与方向是否契合上述半球特化模型，次要目的包括检验性别对偏侧化强度或方向的调节、比较首次无刺激暴露与后续 sessions 以评估偏侧化稳定性、结合人工编码与自动追踪获得全面刻画，并探讨注意偏向与运动/空间探索模式之间是否存在功能分离。研究人员得出了互补性半球功能的结论：主动探索与直接接近行为呈左向偏向（触觉持续时间偏向左侧角落、雄性进入左区更频繁），而监测相关应答呈右向偏向（注视更频繁指向右侧、雄性在中性区与右区之间交替更频繁），提示对右侧采取更为谨慎、反复探查而未完全投入的策略；部分偏侧化在首次无刺激 session 即出现且跨 session 稳定，同时性别调节了部分行为。其重要意义在于为龟鳖类存在保守的半球特化提供了行为学证据，支持偏侧化为脊椎动物脑稳健且演化上广泛分布的特征，并凸显在半自然化条件下研究少被关注类群的价值。

技术方法方面，研究在意大利Rovereto的SperimentArea自然园区开展，46只成年赫尔曼陆龟（24雄，年龄30–50年，2022与2023年5–10月测试）完成三次各10分钟、分日进行的自由探索测试，首次 session 装置无显著刺激，第二、三次在四角呈现用于无模态完成（amodal completion）研究的刺激且顺序随机；装置为白色木质矩形场地（163×83×41.3 cm），内含中央走廊与两端六边形区域。行为以两台网络摄像头录像后离线分析：人工编码采用Boris软件记录注视方向、移动、接近与触碰的频率、时长及自我中心方向；自动化追踪采用EthoVision 3.1以背景减法提取位置坐标并换算为厘米，得到区域进入次数、各区域停留时间、至角落平均距离及区域交替次数。统计分析采用双因素混合方差分析（方向性为组内因素、性别为组间因素），对显著交互作用进行配对或独立样本t检验，并分别在全 sessions 合并数据与仅首次 session 数据上重复分析，另以 session 为附加组内因素检验偏侧化稳定性；显著性水平设为p<0.05，使用RStudio 4.2.1完成。

研究结果方面，一、人工编码行为：合并三次 session 数据显示方向性主效应显著，动物注视更频繁指向右侧角落（F1,44=6.882，p=0.012），而触碰左侧角落的时长更长（F1,44=4.220，p=0.046）；性别主效应显示雄性注视频率更高（F1,44=15.669，p<0.001）、移动频率与时长更高（F1,44=13.441，p<0.001；F1,44=12.913，p<0.001）、接近角落频率更高（F1,44=4.249，p=0.045），提示雄性对角落探索投入更多注意。仅首次无刺激 session 数据显示注视频率方向性主效应显著，呈右向注视偏向（F1,44=4.245，p=0.045），性别与交互作用不显著；注视时长、触碰、接近与移动中主要见性别主效应（雄性更高），未见显著方向性效应。加入 session 因素的混合方差分析未发现方向性与 session 的显著交互，提示偏侧化剖面在测试过程中保持一致。二、自动化测量：合并数据显示区域进入次数（F1,44=50.110，p<0.001）与区域交替次数（F1,44=17.975，p<0.001）方向性主效应显著，且二者性别×方向性交互显著（F1,44=42.658，p<0.001；F1,44=35.919，p<0.001），事后检验表明雄性进入左区显著多于右区（t23=7.726，p<0.001）、在中性区与右侧之间交替更频繁（t23=?6.8703，p<0.001），雌性无偏侧化模式（区域进入t21=0.6715，p=0.509；交替t21=0.7399，p=0.468）；各区域停留时间方向性主效应显著（F1,44=7.986，p=0.007），动物总体在左侧停留更久，性别×方向性交互不显著；区域进入、交替与停留时间均见性别主效应（雄性更活跃、在端区停留更久），至角落平均距离见性别主效应（F1,44=890.275，p<0.001），雄性更靠近角落，方向性及交互不显著。仅首次 session 数据呈相似模式：区域进入方向性（F1,44=39.256，p<0.001）、性别（F1,44=12.035，p<0.001）及交互（F1,44=37.529，p<0.001）显著，事后显示仅雄性进入左区多于右区（t23=7.1282，p<0.001），雌性无偏好（t21=0.1596，p=0.875）；交替方向性（F1,44=19.580，p<0.001）、性别（F1,44=10.540，p=0.002）及交互（F1,44=24.558，p<0.001）显著，雄性在中性区与右侧间交替更频繁（t23=?5.7865，p<0.001），雌性无偏侧化（t21=0.4779，p=0.638）；停留时间仅见性别主效应，至角落距离仅见性别主效应（雄性更靠近角落）。加入 session 因素同样未发现方向性与 session 显著交互。综上，不同测量指标揭示的偏侧化方向出现分离：总体更久探索左端区，而雄性在中性区与右端区之间交替更频繁，提示在该空间方向上采取更谨慎的探索策略（往返而非完全进入），且这些偏侧化效应未随 session 显著变化。

讨论部分，研究人员围绕主要目的指出，结果呈现不同依赖测量指标间的分离模式：主动探索与直接接近行为呈左向偏向（合并数据中触碰左侧角落更久、雄性进入左区更多），监测相关应答呈右向偏向（注视更常指向右侧、雄性在中性区与右区之间交替更频繁），后者可能反映对右侧更谨慎或迟疑的投入——反复监测或探查而未完全进入。该分离可依据Andrew全局理论解释：左眼系统（右半球）专司对释放刺激的快速应答准备，注意易被显著或新异线索捕获并倾向相对冲动的接近行为，对应本研究中更多进入端区并直接触碰角落；右眼系统（左半球）专司持续注意与视觉运动控制，包括应答抑制、动作规划与不适宜应答过滤，并关联对熟悉刺激的细致检视及不确定条件下的接近行为调控，对应本研究中反复、谨慎地核查一侧而非完全投入探索。研究人员同时指出，该框架下右半球并非仅与接近行为相关，也支持警觉与快速防御应答，故"冲动"应理解为快速且刺激驱动，可依情境导致接近或回避；半球差异具有任务依赖性，在习得性规则范式（如Go/No-Go任务）中左半球可表现更快，但反映的是自上而下控制而非冲动性。与既往龟鳖类证据一致，赫尔曼陆龟在镜面存在时偏好左眼检视（右半球处理同种信息），无镜面时偏好右眼探索新异中性均质环境（左半球支持检视与移动决策）；近期辨别任务研究显示个体偏侧化偏向跨 session 相对一致，尽管全体试验未现群体水平方向偏向，且仅分析错误反应时出现显著左向偏向，提示个体侧偏好可在无群体一致偏向时保持稳定、偏侧化表达随任务需求变化，这与本研究中右向注意偏向与左向探索行为共存相呼应，凸显区分行为成分的重要性。其他龟鳖类证据亦支持Andrew模型：阿尔达布拉巨龟右侧头休息姿势（左眼朝外）提示右半球参与警觉与社会威胁监测，欧洲池龟反捕食情境中逃逸与翻正呈左侧偏好。关于神经基础，龟鳖类研究相对有限，但视觉通路特征较明确：绘龟（Chrysemys picta）多数视网膜纤维在视交叉处交叉、仅少量同侧成分；21种龟鳖类比较工作提示对侧视网膜投射为初级视觉系统高度保守特征，而同侧投射种间变异较大；Testudo属内仅T. horsfieldii有直接追踪证据，主要描述为同侧顶盖丘脑投射，但另一龟鳖类Pseudemys scripta及蜥蜴中已证实顶盖输出经视上交叉二次交叉至对侧间脑，而龟鳖类丘脑-皮层通路追踪研究描述同侧投射、未提供可比二次交叉证据；两大脑半球间亦相互连接，如Testudo horsfieldi与Emys orbicularis背侧皮层传出纤维追踪至海马连合，其他爬行动物亦证实经连合系统的直接半球间皮层投射。因此，与其他具侧位眼脊椎动物一样，可合理假设引导行为的大部分视觉信息优先到达使用眼对侧半球，部分信息亦可到达同侧半球。龟鳖类左右视觉通路是否存在系统性差异仍 largely unknown，但其他形式神经不对称已知：龟视觉皮层显示侧特异性神经化学调控，左右皮层在不同阿片受体激动剂效应与结合上存在差异；龟鳖类发育不对称包括胚胎前脑左侧表达Nodal–Lefty–Pitx2信号模块及不对称缰核基因表达；蜥蜴中缰核系统结构与连接不对称亦被证实，包括顶眼至左侧内侧缰核的单侧投射。故尽管龟鳖类半球功能特化的神经基础 largely unknown，现有证据表明爬行动物脑在功能、神经化学、结构与发育层面均存在左右分化。行为层面，部分偏侧化效应稳健，在合并数据与首次无刺激 session 中均出现，包括自首次暴露即存在的右向注视偏向及雄性特异的空间不对称（进入左端区更多、在中性区与右区之间交替更多）；其他效应仅在合并数据中出现（左侧停留更久、触碰时长左向偏向），提示稳定性较低；至少部分指标在跨三日重复测试中表现相对稳定。部分偏侧化效应仅见于雄性，性别特异不对称在其他爬行动物类群亦有报道：水龟翻正反应左向偏向在雄性更强，可能与壳形性二型相关；领域性蜥蜴左转偏向在雄性更明显，可能反映更强领域性；而非领域性胎生蜥蜴仅雌性在迷宫探索中表现左转偏向，提示性二型不对称的方向与表达可能反映物种特异性生态或行为适应。性二型偏侧化亦见于鸟类、鱼类与哺乳类，提示性激素可能参与多种偏侧化形式的发育或调节。除偏侧化外，研究观察到明显的整体运动性别差异，雄性活动水平更高，这与该物种显著形态性二型一致：雄性壳形可能利于更大敏捷性与更快运动，或反映与寻偶、追偶（雌性常远离求偶雄性）及求偶展示相关的选择压力；雌性体型则可能受繁殖力选择塑造，以承载更多卵为代价牺牲运动性；雌性较低移动性亦可能反映行为调节差异，同种雌性已被报道具有更高抑制控制，可能促成探索运动减少，与本研究一致，水龟翻正反应研究亦记录雄性更高移动性。方法学优势方面，人工编码行为与自动追踪测量对应良好，支持结果稳健性与内部一致性，两种独立编码方法的汇聚增强了对所观察模式可靠性的信心；研究采用半自然化测试环境与非食欲驱动的自发探索任务，不同于可能引入强动机偏向或应激效应的强制选择范式或奖赏性辨别任务，允许观察更能反映动物内在倾向的自然、低应激行为，陆龟无需训练、反复抓取或为获得强化而执行特定动作即可自由探索，提升了外部效度，支持所观察偏侧化模式可能反映自发的、特质样偏向而非任务诱导不对称；在半自然化情境（动物日常饲养的SperimentArea园区内）开展实验，最小化环境新异性并与日常条件保持连续，可能促进更稳定可靠的行为表达，尤其对于通常独居且对突变适应缓慢的物种。局限性方面，研究的探索性本质要求谨慎推广；触碰与注视方向等变量为人工编码，可能受观察者偏向影响，但人工与自动测量总体对应提示人工评分可靠且未根本改变结果模式；测试 session 顺序未完全平衡，所有个体先接受无刺激 session、随后两次有刺激 session 随机排序，该设计引入潜在混杂，首次与后续 session 差异可能反映新异性、习惯化或疲劳效应，但偏侧化总体模式在首次 session 与合并数据间大体一致，降低了 session 顺序关键塑造主要发现的可能性；对性别与偏侧化交互的解释需谨慎，因雄性整体活动水平更高，运动输出差异可能放大该组偏侧化行为的表观强度，性别相关不对称可能部分反映整体运动性差异而非纯粹偏侧化过程。

结论部分译文：总之，本研究提供了赫尔曼陆龟在半自然化环境中自发探索时存在行为偏侧化的证据。所观察到的模式以主动接近行为的左向偏向与监测相关应答的右向偏向之间的分离为特征，与当前半球特化框架大体一致。重要的是，其中一些不对称在跨 session 中表现稳定，提示它们可能反映内在的特质样倾向而非短暂的情境依赖效应。同时，某些行为受性别调节凸显了生物与生态因素对偏侧化表达的潜在影响。通过采用非食欲驱动、低应激的范式，本研究为日益强调生态效度方法在动物认知与行为研究中价值的文献体系作出了贡献。然而，鉴于研究的探索性本质及存在某些方法学约束，仍需进一步研究以确认并拓展这些发现；未来研究应致力于厘清动机、情境与生理变量的作用，并阐明所观察不对称的功能意义。总体而言，这些发现支持偏侧化为脊椎动物脑稳健且演化上广泛分布特征的观点，并凸显在自然化条件下研究龟鳖类等研究不足类群的相关性。