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中科院腦智卓越中心揭示靈長類大腦精細視覺編碼的新機制

發布時間:2018-03-30

  3月30日,《Neuron》期刊在線發表了題為《局部和整體物體感知中高級腦區精細視覺的腦機制》的研究論文,該研究由中科院神經科學研究所、腦科學與智能技術卓越創新中心、靈長類神經生物學重點實驗室和神經科學國家重點實驗室的王偉研究組完成。視覺科學的中心問題是探索從局部到整體的跨腦區視覺信息整合的腦機制。該研究通過在非人靈長類獼猴大腦視皮層V1,V2,和V4三個腦區進行群體神經元和單細胞神經元記錄,探索了靈長類腹側視覺通路中高級腦區是否存在編碼精細視覺的神經基礎以及它與局部和整體視覺感知的相關性。該突破性研究工作揭示了編碼精細視覺的神經元不僅存在于大腦初級視覺皮層V1腦區,而且也存在于中高級視皮層V4腦區,尤其是揭示了在整體和局部的精細視覺編碼中,V4腦區起到了承上啟下的關鍵作用。該研究結果和發現不僅幫助我們認識和理解靈長類視覺大腦的工作原理,還將為神經計算,類腦人工神經網絡模型和人工智能信息處理提供重要的新的理論指導和依據。

  靈長類的大腦是人類目前已知最復雜的生物系統,因此探索和理解其工作原理及其神經機制是人類面臨的最大挑戰之一。在所有感覺輸入中,視覺對人類行為和認知的貢獻最為重要。不管是神經科學家、哲學家還是藝術家,都通過視覺的感知和解析,來深刻理解人類的思維和認知活動。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雜的大腦神經環路連接和海量的神經計算。在中國具有得天獨厚的資源優勢的非人靈長類獼猴,是與人類最接近的模式實驗動物。為了探索和研究靈長類視覺大腦的內在神經機制和外部視覺物體在視覺大腦中的重現過程,我們需要研究視覺信息編碼和處理的腦機制,尤其是靈長類腹側視覺通路中精細視覺與局部和整體視覺感知的腦機制。

  靈長類視覺系統通常被描述為一個從視網膜出發,由各個不同等級的視覺腦區組成的神經環路系統。初級和次級視皮層(V1和V2)神經元具有較小的時空整合感受野,偏好局部視覺信息,而從較高級視覺腦區V4和MT/MST開始,神經元普遍具有較大的感受野,適合整合較大視野內的視覺信息,從而完成整體視覺感知和認知功能。已有的教科書式的知識認為,在靈長類等級化的視覺系統中,伴隨著神經元感受野的逐級增大,各個視覺腦區的最優空間分辨率逐級下降。那么精細視覺如何傳遞到高級視皮層如IT區進行物體識別和認知?這是視覺科學研究中的重大基礎科學問題,至今沒人能回答(圖A和B)。

  我們最新的研究工作首先證實了前人的研究結果,發現V1,V2和V4視皮層神經元在群體上其最優空間頻率選擇性逐級降低,總體上V1腦區神經元空間分辨最高,V4最低。但是令我們沒有想到的是,與低級視皮層V1和V2腦區相比,我們發現V4腦區居然存在“不同空間頻率偏好的神經元聚集成群”的腦功能組織結構, 并且在高空間頻率的集群中,V4神經元具有超高的最優空間頻率選擇性反應,且編碼局部視覺信息,而處于低空間頻率集群中的V4神經元則編碼整體視覺信息。我們同時發現前者反應潛伏期比后者要長至少10毫秒,說明在沒有特定視覺任務時,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節的視覺體驗。這些新發現不僅打破了嚴格的空間分辨率和視網膜離心度的負相關關系,而且揭示了V4在整體和局部的精細視覺編碼中承上啟下的關鍵作用:V4為更高級腦區顳側視皮層IT腦區神經元提供前饋輸入,使其在完全覆蓋中央視區進行物體空間位置、遠近和大小視覺特性不變性分析中獲得精細視覺信息(圖B)。

  該項工作由博士后陸一樑,尹家鵬博士以及博士研究生陳哲遠,在高級研究員王偉博士的指導下共同完成,課題組的其他成員也積極參與了該課題的研究,并得到了復旦大學附屬眼耳鼻喉科醫院眼科劉睿博士的大力協助。本工作得到基金委面上項目(31571078)和青年基金(81601628)的資助。

   

  圖注:此圖的左側部分展示了本研究課題提出的視覺科學關鍵問題及其研究方法,右側部分呈現了本研究的主要實驗結果。

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