發(fā)布時(shí)間：2018-03-30
3月30日，《Neuron》期刊在線發(fā)表了題為《局部和整體物體感知中高級(jí)腦區(qū)精細(xì)視覺的腦機(jī)制》的研究論文，該研究由中科院神經(jīng)科學(xué)研究所、腦科學(xué)與智能技術(shù)卓越創(chuàng)新中心、靈長類神經(jīng)生物學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室和神經(jīng)科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的王偉研究組完成。視覺科學(xué)的中心問題是探索從局部到整體的跨腦區(qū)視覺信息整合的腦機(jī)制。該研究通過在非人靈長類獼猴大腦視皮層V1，V2，和V4三個(gè)腦區(qū)進(jìn)行群體神經(jīng)元和單細(xì)胞神經(jīng)元記錄，探索了靈長類腹側(cè)視覺通路中高級(jí)腦區(qū)是否存在編碼精細(xì)視覺的神經(jīng)基礎(chǔ)以及它與局部和整體視覺感知的相關(guān)性。該突破性研究工作揭示了編碼精細(xì)視覺的神經(jīng)元不僅存在于大腦初級(jí)視覺皮層V1腦區(qū)，而且也存在于中高級(jí)視皮層V4腦區(qū)，尤其是揭示了在整體和局部的精細(xì)視覺編碼中，V4腦區(qū)起到了承上啟下的關(guān)鍵作用。該研究結(jié)果和發(fā)現(xiàn)不僅幫助我們認(rèn)識(shí)和理解靈長類視覺大腦的工作原理，還將為神經(jīng)計(jì)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重要的新的理論指導(dǎo)和依據(jù)。
靈長類的大腦是人類目前已知最復(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)制是人類面臨的最大挑戰(zhàn)之一。在所有感覺輸入中，視覺對(duì)人類行為和認(rèn)知的貢獻(xiàn)最為重要。不管是神經(jīng)科學(xué)家、哲學(xué)家還是藝術(shù)家，都通過視覺的感知和解析，來深刻理解人類的思維和認(rèn)知活動(dòng)。由于我們能夠毫不費(fèi)力地看到眼前的視覺世界，我們常常會(huì)忽略視覺認(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。在中國具有得天獨(dú)厚的資源優(yōu)勢(shì)的非人靈長類獼猴，是與人類最接近的模式實(shí)驗(yàn)動(dòng)物。為了探索和研究靈長類視覺大腦的內(nèi)在神經(jīng)機(jī)制和外部視覺物體在視覺大腦中的重現(xiàn)過程，我們需要研究視覺信息編碼和處理的腦機(jī)制，尤其是靈長類腹側(cè)視覺通路中精細(xì)視覺與局部和整體視覺感知的腦機(jī)制。
靈長類視覺系統(tǒng)通常被描述為一個(gè)從視網(wǎng)膜出發(fā)，由各個(gè)不同等級(jí)的視覺腦區(qū)組成的神經(jīng)環(huán)路系統(tǒng)。初級(jí)和次級(jí)視皮層（V1和V2）神經(jīng)元具有較小的時(shí)空整合感受野，偏好局部視覺信息,而從較高級(jí)視覺腦區(qū)V4和MT/MST開始，神經(jīng)元普遍具有較大的感受野，適合整合較大視野內(nèi)的視覺信息，從而完成整體視覺感知和認(rèn)知功能。已有的教科書式的知識(shí)認(rèn)為，在靈長類等級(jí)化的視覺系統(tǒng)中，伴隨著神經(jīng)元感受野的逐級(jí)增大，各個(gè)視覺腦區(qū)的最優(yōu)空間分辨率逐級(jí)下降。那么精細(xì)視覺如何傳遞到高級(jí)視皮層如IT區(qū)進(jìn)行物體識(shí)別和認(rèn)知？這是視覺科學(xué)研究中的重大基礎(chǔ)科學(xué)問題，至今沒人能回答（圖A和B）。
我們最新的研究工作首先證實(shí)了前人的研究結(jié)果，發(fā)現(xiàn)V1，V2和V4視皮層神經(jīng)元在群體上其最優(yōu)空間頻率選擇性逐級(jí)降低，總體上V1腦區(qū)神經(jīng)元空間分辨最高，V4最低。但是令我們沒有想到的是，與低級(jí)視皮層V1和V2腦區(qū)相比，我們發(fā)現(xiàn)V4腦區(qū)居然存在“不同空間頻率偏好的神經(jīng)元聚集成群”的腦功能組織結(jié)構(gòu), 并且在高空間頻率的集群中，V4神經(jīng)元具有超高的最優(yōu)空間頻率選擇性反應(yīng)，且編碼局部視覺信息，而處于低空間頻率集群中的V4神經(jīng)元?jiǎng)t編碼整體視覺信息。我們同時(shí)發(fā)現(xiàn)前者反應(yīng)潛伏期比后者要長至少10毫秒，說明在沒有特定視覺任務(wù)時(shí)，視覺感知是從整體開始的（coarse-to-fine），符合人類的視覺感知是先整體后局部細(xì)節(jié)的視覺體驗(yàn)。這些新發(fā)現(xiàn)不僅打破了嚴(yán)格的空間分辨率和視網(wǎng)膜離心度的負(fù)相關(guān)關(guān)系，而且揭示了V4在整體和局部的精細(xì)視覺編碼中承上啟下的關(guān)鍵作用：V4為更高級(jí)腦區(qū)顳側(cè)視皮層IT腦區(qū)神經(jīng)元提供前饋輸入，使其在完全覆蓋中央視區(qū)進(jìn)行物體空間位置、遠(yuǎn)近和大小視覺特性不變性分析中獲得精細(xì)視覺信息（圖B）。
該項(xiàng)工作由博士后陸一樑，尹家鵬博士以及博士研究生陳哲遠(yuǎn)，在高級(jí)研究員王偉博士的指導(dǎo)下共同完成，課題組的其他成員也積極參與了該課題的研究，并得到了復(fù)旦大學(xué)附屬眼耳鼻喉科醫(yī)院眼科劉睿博士的大力協(xié)助。本工作得到基金委面上項(xiàng)目（31571078）和青年基金（81601628）的資助。
圖注：此圖的左側(cè)部分展示了本研究課題提出的視覺科學(xué)關(guān)鍵問題及其研究方法，右側(cè)部分呈現(xiàn)了本研究的主要實(shí)驗(yàn)結(jié)果。
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