發(fā)布時間：2022-08-19
編者按：腦科學對各種腦功能的解析、腦疾病的診斷治療、類腦智能和腦機接口的技術(shù)開發(fā)，都具有非常重要的意義，中科院之聲與中國科學院腦科學與智能技術(shù)卓越創(chuàng)新中心聯(lián)合開設(shè)“腦智擘未來”專欄，為大家解讀視覺、學習記憶、注意力、抉擇、意識、語言、共情、合作等日常生活中常見行為和現(xiàn)象的研究方式和科學發(fā)現(xiàn)。
眼睛是心靈的窗戶，它將各種可見光信號在視網(wǎng)膜上轉(zhuǎn)化成神經(jīng)電信號，經(jīng)過多級視網(wǎng)膜神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)編碼后傳入大腦，從而讓我們產(chǎn)生視覺感知。視覺起源于眼睛而形成于大腦，它是人們用來獲取外部信息，感知這個豐富多彩世界最主要的感知覺，因此是所有高級認知功能的基礎(chǔ)。由于我們能夠毫不費力地看到眼前的視覺世界，我們常常會忽略視覺認知背后超級復(fù)雜的大腦神經(jīng)環(huán)路連接和海量的神經(jīng)計算。
視覺系統(tǒng)接收的輸入是復(fù)雜多樣的，因此視覺系統(tǒng)需要具有同時處理自然界中各種復(fù)雜信息的能力。在日常生活中，視覺系統(tǒng)會同時接受很多不同空間尺度的信息。我們的大腦是如何讓我們在看到整體畫面的同時，又抓住動人細節(jié)的？局部精細的視覺信息又是如何在大腦中被加工處理從而讓我們看到的？這是困擾了全球視覺神經(jīng)科學家們長達半個多世紀的重大命題。
靈長類的大腦，是人類目前已知最為復(fù)雜的生物系統(tǒng)，因此探索和理解其工作原理及其神經(jīng)機制是人類面臨的最大挑戰(zhàn)之一。大腦可以分成很多功能區(qū)域，其中視覺信息是在位于大腦枕葉的視覺感知區(qū)中，由低級向高級腦區(qū)傳遞的。傳統(tǒng)理論認為，低級視皮層的神經(jīng)元具有較高的空間分辨率和較小的時空整合感受野，主要負責處理局部細節(jié)信息，而高級腦區(qū)的神經(jīng)元普遍具有較大的感受野，空間分辨率較低，負責對較大范圍的視覺信息進行整合，兩者分工合作，讓我們的大腦能再現(xiàn)外界豐富多彩的視覺事件，完成整體和局部的視覺感知與認知功能。
中國科學院的科研人員們選用視覺功能發(fā)達的非人靈長類獼猴作為模式研究動物，發(fā)現(xiàn)在高級視覺皮層V4區(qū)中，除了存在大量低空間分辨率神經(jīng)元可以編碼整體圖像之外，還存在著一些對高度精細的局部視覺刺激有強烈視覺偏好反應(yīng)的神經(jīng)元聚集成群。并且這兩類神經(jīng)元在反應(yīng)時間上的區(qū)別，也符合人類先看到整體后注意到細節(jié)的視覺體驗。該研究工作推翻了傳統(tǒng)的理論觀點，揭示了編碼精細視覺的神經(jīng)元不僅存在于大腦初級視覺皮層V1腦區(qū)，而且也存在于中高級視皮層V4中，尤其是揭示了在整體和局部的精細視覺編碼中，V4腦區(qū)起到了承上啟下的關(guān)鍵作用。這樣其他負責高級認知功能的大腦皮層，就可以直接從高級視覺皮層V4直接讀取到精細的細節(jié)信息，從而更快捷地與外部世界進行互動。
這項突破性研究工作，揭示了精細視覺感知在大腦中編碼的新機制，該研究成果不僅能幫助我們認識和理解靈長類視覺大腦的工作原理，還將為神經(jīng)計算類腦、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型和人工智能信息處理提供新的理論指導(dǎo)和依據(jù)。
作者：中國科學院腦科學與智能技術(shù)卓越創(chuàng)新中心 陸一樑
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