發(fā)布時(shí)間：2022-08-19
編者按：腦科學(xué)對(duì)各種腦功能的解析、腦疾病的診斷治療、類(lèi)腦智能和腦機(jī)接口的技術(shù)開(kāi)發(fā)，都具有非常重要的意義，中科院之聲與中國(guó)科學(xué)院腦科學(xué)與智能技術(shù)卓越創(chuàng)新中心聯(lián)合開(kāi)設(shè)“腦智擘未來(lái)”專(zhuān)欄，為大家解讀視覺(jué)、學(xué)習(xí)記憶、注意力、抉擇、意識(shí)、語(yǔ)言、共情、合作等日常生活中常見(jiàn)行為和現(xiàn)象的研究方式和科學(xué)發(fā)現(xiàn)。
眼睛是心靈的窗戶(hù)，它將各種可見(jiàn)光信號(hào)在視網(wǎng)膜上轉(zhuǎn)化成神經(jīng)電信號(hào)，經(jīng)過(guò)多級(jí)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(jué)感知。視覺(jué)起源于眼睛而形成于大腦，它是人們用來(lái)獲取外部信息，感知這個(gè)豐富多彩世界最主要的感知覺(jué)，因此是所有高級(jí)認(rèn)知功能的基礎(chǔ)。由于我們能夠毫不費(fèi)力地看到眼前的視覺(jué)世界，我們常常會(huì)忽略視覺(jué)認(rèn)知背后超級(jí)復(fù)雜的大腦神經(jīng)環(huán)路連接和海量的神經(jīng)計(jì)算。
視覺(jué)系統(tǒng)接收的輸入是復(fù)雜多樣的，因此視覺(jué)系統(tǒng)需要具有同時(shí)處理自然界中各種復(fù)雜信息的能力。在日常生活中，視覺(jué)系統(tǒng)會(huì)同時(shí)接受很多不同空間尺度的信息。我們的大腦是如何讓我們?cè)诳吹秸w畫(huà)面的同時(shí)，又抓住動(dòng)人細(xì)節(jié)的？局部精細(xì)的視覺(jué)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(jué)神經(jīng)科學(xué)家們長(zhǎng)達(dá)半個(gè)多世紀(jì)的重大命題。
靈長(zhǎng)類(lèi)的大腦，是人類(lèi)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(jī)制是人類(lèi)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(jué)信息是在位于大腦枕葉的視覺(jué)感知區(qū)中，由低級(jí)向高級(jí)腦區(qū)傳遞的。傳統(tǒng)理論認(rèn)為，低級(jí)視皮層的神經(jīng)元具有較高的空間分辨率和較小的時(shí)空整合感受野，主要負(fù)責(zé)處理局部細(xì)節(jié)信息，而高級(jí)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(fù)責(zé)對(duì)較大范圍的視覺(jué)信息進(jìn)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(jué)事件，完成整體和局部的視覺(jué)感知與認(rèn)知功能。
中國(guó)科學(xué)院的科研人員們選用視覺(jué)功能發(fā)達(dá)的非人靈長(zhǎng)類(lèi)獼猴作為模式研究動(dòng)物，發(fā)現(xiàn)在高級(jí)視覺(jué)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(duì)高度精細(xì)的局部視覺(jué)刺激有強(qiáng)烈視覺(jué)偏好反應(yīng)的神經(jīng)元聚集成群。并且這兩類(lèi)神經(jīng)元在反應(yīng)時(shí)間上的區(qū)別，也符合人類(lèi)先看到整體后注意到細(xì)節(jié)的視覺(jué)體驗(yàn)。該研究工作推翻了傳統(tǒng)的理論觀點(diǎn)，揭示了編碼精細(xì)視覺(jué)的神經(jīng)元不僅存在于大腦初級(jí)視覺(jué)皮層V1腦區(qū)，而且也存在于中高級(jí)視皮層V4中，尤其是揭示了在整體和局部的精細(xì)視覺(jué)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(fù)責(zé)高級(jí)認(rèn)知功能的大腦皮層，就可以直接從高級(jí)視覺(jué)皮層V4直接讀取到精細(xì)的細(xì)節(jié)信息，從而更快捷地與外部世界進(jìn)行互動(dòng)。
這項(xiàng)突破性研究工作，揭示了精細(xì)視覺(jué)感知在大腦中編碼的新機(jī)制，該研究成果不僅能幫助我們認(rèn)識(shí)和理解靈長(zhǎng)類(lèi)視覺(jué)大腦的工作原理，還將為神經(jīng)計(jì)算類(lèi)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(guó)科學(xué)院腦科學(xué)與智能技術(shù)卓越創(chuàng)新中心 陸一樑
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