首頁發布時間: 2026-06-08
作者：黃國華助研究員（本院分子生物研究所）
作者於美國哈佛大學取得神經科學博士學位，後至瑞士弗雷德里希·米歇爾生物醫學研究所(Friedrich Miescher Institute for Biomedical Research)進行博士後研究。2020年至本院分子生物研究所擔任助研究員。
作者認為追求快樂有很多方法，對其來說是好奇心得到滿足。解決的問題可以冷門、可以困難，但把事情想通那一刻，是一種很純粹的快樂。而且科學研究只要做得嚴謹，幾十年後仍會有人找出來逐字研讀。科學家就是這種當下可以得到快樂，身後可以留下足跡的理想工作。
為什麼要研究社會行為，還有它背後的大腦機制？
人類和動物每天都在「讀空氣」。看到別人的表情、動作、距離遠近，大腦會立刻判斷：這個人是朋友還是敵人？ 要不要靠近？現在安全嗎？例如：小朋友看到媽媽微笑，就會安心靠近；路上如果有人突然快速衝向你，你會立刻警覺。
這些反應看起來很自然，但其實背後需要大腦在極短時間內完成大量計算。科學家想知道：大腦如何辨認「同伴」？ 怎麼判斷對方的動作？為什麼有些動物會想彼此靠近？ 理解這些問題，不只是基礎研究而已。人類疾病如自閉症等，也和社交訊息處理有關。
研究社會行為與神經機制，困難在哪？
社交訊號就是另一隻動物的行為，例如：對方突然靠近、轉身、加速、停下。這些都會影響大腦反應。問題是，如果科學家想研究：「大腦如何對某個特定動作產生反應？」，通常需要重複測量很多次。但我們怎麼可能要求一隻老鼠或斑馬魚：「請你將同一個動作重複做五次。」這件事可能連太陽馬戲團的訓獸師都做不到。於是，我們想到：「如果我們自己創造一隻虛擬動物呢？」
如何打造虛擬斑馬魚？
斑馬魚像是一個「小型實驗室」，因為牠的腦部很小、容易觀察其神經活動、基因容易修改、又容易大量繁殖。有趣的是，斑馬魚還非常依賴視覺互動。即使兩隻斑馬魚被玻璃隔開，聞不到彼此味道，也感受不到水流，牠們還是會同步游泳、一起轉彎。這代表：光是靠「看到對方」，斑馬魚就能進行社交。因此，我們的目標就是打造一隻「逼真到讓斑馬魚相信是活的虛擬斑馬魚」，這個過程有點像迪士尼動畫公司在打造動話中的小丑魚。
實驗室的研究助理楊智淳和陳政佑先利用3D軟體Blender或Maya建立斑馬魚的立體模型，接著把真實斑馬魚從不同角度拍攝的照片，貼到3D模型的表面（有點像幫虛擬斑馬魚「貼皮膚」）。之後在魚體內加入「骨架」，很像動畫電影角色裡面的隱藏骨頭。最後利用高速攝影分析數萬次斑馬魚游泳的姿態，拆解出各種動作模式，並藉由控制骨架，建立38種代表性游泳動畫，最後整合進Unity遊戲引擎，打造出生動的虛擬斑馬魚。
恐怖谷效應：當斑馬魚開始覺得「哪裡怪怪的」
最初研究其實失敗了。當時虛擬斑馬魚的尾巴擺動、身體轉向，和前進速度彼此之間尚未完美同步，所以當真實斑馬魚看到這些虛擬魚時，不但沒有被吸引，反而會害怕逃開，讓我們想到知名的心理學現象：「恐怖谷效應（Uncanny Valley）」。
這個理論由日本機器人學家Masahiro Mori在1970年提出。簡單來說：當一個東西「有點像人」時，我們通常會覺得可愛，例如：卡通角色、玩偶、機器人；但當它變得「非常像人」，卻還差一點點時，人類反而會感到不舒服，例如：蠟像、殭屍、太逼真的洋娃娃，因為大腦會察覺：「它看起來像真的，但又不完全對。」。因此實驗室學生曹靖妤花費很多時間在優化斑馬魚擺尾、轉彎、前進這三類行為參數的整合，終於讓虛擬斑馬魚對真實斑馬魚產生穩定的吸引力。
真的是同伴嗎？
要怎麼驗證虛擬斑馬魚真的被當成同伴，而不只是一個會動的新奇物體呢？當兩隻真實斑馬魚隔著玻璃看到彼此時，通常會先游向對方，之後沿著玻璃左右來回游動。這樣趨向同類的行為我們稱作「趨同行為(affiliative behavior)」，通常真實斑馬魚的趨同行為可以延續超過15分鐘，大幅超過對一般物體的反應。
我們發現，三隻虛擬斑馬魚也可以激發趨同行為超過15分鐘！有趣的是，如果虛擬斑馬魚以不正常的方式游泳，例如：以固定速度像潛水艇一般「飄」過畫面，它們的吸引力就大幅下降。
為了進一步驗證虛擬斑馬魚的吸引力，我們設計了「二選一」的實驗。受試的斑馬魚放在中間的透明魚缸，魚缸的一側設置三隻虛擬斑馬魚，另一側則放置三隻體型相似的真實孔雀魚，結果16隻受試者裡有15隻選擇虛擬斑馬魚。這組實驗顯示虛擬斑馬魚具有真實斑馬魚的特徵，可以激發具有專一性的趨同行為。
無所不在的「運動視差」
個體間的距離會影響行為與心理反應。例如：在狹小電梯中，陌生人靠得很近或站在遠處，帶來的感受截然不同；野外棕熊媽媽是否攻擊入侵者，也取決於對方與幼熊的距離。這些判斷仰賴「深度視覺」，也就是大腦從二維視網膜影像推算三維空間距離的能力。
深度視覺可以透過「運動視差（motion parallax）」獲得：就是經由自身位移，觀察視野中物體的移動速度，越靠近的物體移動越快。一個簡單的例子如下：閉起一隻眼睛，用單眼將手指與遠方高樓重疊，當頭部左右移動時，手指在視野中的移動速度會比高樓快；我們站在懸崖會感受到高度，是因為探頭時，懸崖邊緣在視野中的移動速度遠高於下方的景物；坐火車時，我們知道電線桿就在窗外，因為電線杆快速晃過窗戶而遠處的高山移動緩慢。許多動物都會利用運動視差獲取深度資訊，例如：蜜蜂環繞飛行後降落在平台、螳螂擺頭觀察樹枝間距，以及小鼠跳躍前反覆站蹲判斷間隙寬度。
為了在虛擬環境中引入運動視差，我們每秒鐘30次即時偵測真實斑馬魚的位置，利用這個資訊來更新虛擬相機在虛擬世界中的位置，再把虛擬相機擷取到的畫面呈現在電腦螢幕上。我們親自做過測試，如果電腦螢幕上呈現一支鉛筆指向觀察者，當觀察者移到右邊，就會看到鉛筆的右側，反之則看到左側，這會為鉛筆帶來非常強烈的立體效果，彷彿鉛筆從電腦螢幕伸出來（不禁讓人想起貞子從古井爬出…）。相較之下如果沒有運動視差，那支鉛筆就如同一張列印出來的海報貼電腦螢幕上，無論觀察者移到哪個位置，都是同一個畫面。
搔首弄姿還不夠，需要深度視覺
有了虛擬斑馬魚作為可控制的社交訊號，以及運動視差作為可開關的深度視覺，研究人員決定進一步探究深度視覺是否會影響社交訊號的處裡。他們讓虛擬斑馬魚表現兩種類型的行為，第一種是改變身體位置的「位移」，第二種是原地旋轉或擺尾的「肢體擺動」。我們把虛擬斑馬魚放在虛擬魚缸中，用電腦螢幕呈現給受試的斑馬魚看：受試者與電腦螢幕的距離越近代表虛擬斑馬魚的吸引力越強。
結果發現，當虛擬斑馬魚表現間歇性位移時，也就是接近斑馬魚的游泳模式，對真實斑馬魚具有強烈吸引力。相反的，當虛擬斑馬魚在原地表現肢體擺動時，則沒有吸引力。這有點像在人群中，我們會自然被移動的人所吸引，而較少注意站在原地的人。
然而，當研究人員開啟深度視覺，使虛擬世界的視角隨真實斑馬魚的位置改變時，原本沒有吸引力的肢體擺動，竟也開始激發趨同行為！
為了進一步確認吸引力是否只是來自運動視差所產生的空間感，於是我們移除虛擬斑馬魚，只保留虛擬魚缸。結果顯示，即使開啟運動視差，虛擬魚缸提供的空間感本身並沒有吸引力。換句話說，空間感本身就像舞台燈光，雖然能增加臨場感，但如果舞台上沒有演員，觀眾依然不會投入。
接著，我們想確認肢體擺動是否為產生吸引力的必要條件。於是我們放置一隻完全靜止、不轉動也不擺尾的虛擬斑馬魚，如同雕像一般。結果發現，即使開啟運動視差，靜態的虛擬斑馬魚仍無法吸引真實斑馬魚。
總的來說，深度視覺與肢體擺動各自都無法單獨產生吸引力，但兩者同時存在時，卻會產生強烈的吸引力。我們推測，當運動視差與肢體擺動同時出現時，可能共同增強了對同伴立體結構的感知，使觀察者不再只是看到平面影像，而是真正感知到具有「厚度」的同類。這也代表大腦可能是以非線性的方式整合社交訊號與深度訊號，是一個非常有趣的神經科學課題。
未來的科學是跨領域的科學
這個研究計畫由4位實驗室成員接力完成。楊智淳於國立清華大學化學系畢業，後至芝加哥大學攻讀物理化學博士；陳政佑於國立清華大學生命科學院學士班畢業，後至明尼蘇達大學攻讀生物醫學工程博士班；曹靖妤於國立臺灣大學經濟系畢業，後為程式工程師；湯喬雅則是東吳大學心理系畢業，後至中山大學念學士後醫學系繼續深造。
這項研究的完成，需要橫跨行為學、資訊工程與心理認知科學等不同背景的研究人員共同努力。接下來，我們的研究室將把研究重點深入大腦，利用光學顯微鏡與互動式虛擬實境，測繪哪些神經元負責編碼社交訊號與深度訊號，進而影響社會行為。我們期待透過斑馬魚的微型大腦、豐富的社會行為，以及多元的遺傳學工具，從演化的角度探討社會行為背後的神經機制，並提出新的觀點。
參考文獻：
Tsao, J.-Y., Tang, C.-Y., Chen, C.-Y., Yang, C.-T., and Huang, K.-H. (2025). Integration of social and depth information during affiliative behavior in zebrafish. Current Biology 35, 3429-3439.e4.
