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神经所应用动态脑功能联接图谱预测人类对视觉错觉的感知差异
发布日期:2016-11-30    浏览次数:304

11月22日,中国科学院上海生命科学研究院神经科学研究所王征研究组在《Cerebral Cortex》期刊在线发表了题为《Dynamic network communication in the human functional connectome predicts perceptual variability in visual illusion》的研究论文。该研究利用磁共振成像技术构建动态脑功能联接图谱,研究人类对Pinna错觉感知个体差异的机制,发现脑联接图谱的两个子模块间的信息处理效率越高,感知到的Pinna错觉越弱,即越真实地感知外部物理世界。

对外部世界的感知是人类的基本能力,就像“世界上没有两片完全相同的树叶”,任何两个人对同一事物的感知也是有差异的,然而目前感知差异的大脑机制仍不清楚。错觉是指我们的感知与真实事物有差异。人类对某些错觉的感知差异很大,有的人能够明显感知到,有些人却感受很微弱,甚至不能感知,所以错觉为感知的个体差异机理研究提供了一个很好的模型。Pinna旋转运动视觉错觉是由意大利视觉科学艺术家Baingio Pinna设计和发现的一种视觉错觉,如图A所示,当注视图片中心黑点,头部靠近(或远离)屏幕时,会明显地感受到两个圆环在分别以逆时针和顺时针方向旋转,但事实上圆环并没有任何物理旋转。前期神经所王伟、王征和顾勇三个课题组鼎力合作,结合心理物理和功能磁共振成像手段,发现Pinna错觉的皮层编码区域主要集中在内侧颞叶中颞上区(MST区),此工作作为封面文章今年发表在《Human Brain Mapping》上。当研究人员用心理物理的方法定量评估73位志愿者对Pinna错觉的感知水平,发现有些志愿者感觉到非常明显的旋转错觉,有些却感觉不明显(群体感知水平基本服从正态分布,图B)。这个现象背后的神经机制是什么呢?

研究人员使用功能磁共振成像技术先获得Pinna错觉激活的全部脑区(图C),然后计算在感知Pinna错觉时这些脑区间的功能连接,构建动态脑功能联接图谱。进而运用图论的方法解析该图谱的子网络结构,发现三个层级关系鲜明的子网络模块:由低级的视觉脑区组成的初级视觉模块,,由较高级的视觉脑区组成的中级视觉模块,和由更高级的额叶和顶叶功能区组成的高级模块(图D和E)。通过分析模块内部与模块之间的信息交流和Pinna错觉感知水平的相关性,研究人员发现,两个视觉子网络之间的信息处理(图E中蓝色的连接)效率越高,感知到的Pinna错觉就越弱,即被试者越真实地感受物理世界;并且还可以直接利用脑图谱子模块间的通讯效率来预测个体的Pinna错觉感知水平(图F)。此研究首次揭示大脑子网络之间的通讯效率可能决定了人类对外界感知的差异,为研究大脑网络动力学与高级认知功能之间的关系提供了新的研究思路,可广泛应用于其它高级脑功能的网络研究。同时,此项新技术方法也可以用于精神类疾病的脑图谱研究,深入解读精神疾病的神经环路机制。

此项工作主要由博士研究生王志伟在王征研究员指导下,与中国科学院神经科学研究所王伟研究组和顾勇研究组紧密合作,在神经所脑影像中心3T磁共振成像平台完成。本项目得到中国科学院百人计划、中国科学院战略性先导(B类)科技专项(XDB02050000)和国家自然科学基金(81571300)的资助。

图注:(A)Pinna 旋转运动错觉,(B)Pinna错觉感知水平在人群中服从正态分布,(C)Pinna错觉激活的全部脑区,(D)Pinna错觉条件下的脑功能联接图谱的子模块拓补结构,(E)Pinna子模块间的通讯,(F)视觉子模块间的通讯效率可预测个体对Pinna错觉感知水平。