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王伟组发现亮暗光斑视觉后像的不对称性及其皮层下起源的神经机制
发布日期:2017-01-16    浏览次数:216

1月11日,《神经科学杂志》在线发表了中科院神经科学研究所王伟研究组题为《亮暗光斑视觉后像的不对称性与皮层下ON和OFF通路间的不对称性相互关联》的研究论文。视觉后像(Afterimage)是指较长时间注视视觉刺激后,当刺激消失或把目光及注视点移开到单色均一背景下如白帆布或白墙,人们常看到短暂并逐渐减弱的,与原视觉刺激极性相反的视觉图像残留的现象,故而称为后像(图一)。视觉后像有正的或负的两种,是一种正常的视觉生理现象,也是探索视觉脑机制的一个重要窗口。

 

图1:神经所大楼和神经所标志为例的视觉后像。盯着左侧图中的红色十字注视30秒,再把视线转移到右侧的红十字,这时尽管右侧的图像是没有颜色的灰色图像,你会感知到图片原先的颜色。

在皮层下视觉通路中,视网膜(retina)和丘脑外膝体(dLGN)存在由ON和OFF细胞组成的两个平行通路,它们分别编码亮度增加和减少的亮度变化信息。近年的研究发现人对视觉刺激的亮度变小比对视觉刺激的亮度变大更敏感,而且最近的电生理实验揭示视觉系统中ON和OFF通路对视觉刺激亮度变化信息的反应存在着不对称性。这些实验结果为解释视觉感知层面上的不对称性提供了神经基础。现实生活中,当我们盯着白色或黑色的视觉刺激一段时间后,在视觉刺激撤除后的一个短暂时间内可以感知到极性相反的视觉后像。因此我们的问题是:亮暗刺激产生的视觉后像之间是否也存在着不对称性?皮层下ON和OFF通路间对亮暗刺激撤除反应是否有不对称性呢?如都存在着不对称性,那么二者的不对称性是平行的吗?

王伟课题组的研究人员结合人的心理物理实验和视觉实验动物家猫丘脑外膝体(dLGN)单细胞记录实验,对上述问题进行了深入研究(图二)。心理物理实验结果显示,暗光斑刺激(撤除)产生的视觉后像比亮光斑刺激(撤除)产生的视觉后像更强而且持续时间更久。在dLGN上的电生理实验结果显示,ON细胞对暗光斑刺激撤除反应的发放率高于OFF细胞对亮光斑刺激撤除反应的发放率,并且ON细胞的反应比OFF细胞更持久。视觉实验动物外膝体电生理实验结果和人心理物理实验结果一致。通过对来自视网膜的S-potential的分析,研究人员发现上述的ON和OFF细胞对亮暗光斑刺激撤除反应强度的不对称性,其实在视网膜神经节细胞中就已经存在,但是在反应时程上的不对称性只在外膝体中存在。研究人员还发现ON和OFF细胞间反应强度的差别只存在于X型细胞中,而在Y型细胞中并不存在这种不对称性。此外,研究人员还发现ON和OFF细胞接收到的抑制性输入的不对称,可能导致了ON和OFF细胞对亮暗光斑刺激撤除反应的不对称性。

该研究首次揭示了亮暗光斑刺激产生的视觉后像在感知强度和持续时间上存在明显的不对称性,而且这种不对称性与皮层下ON和OFF细胞对亮暗光斑刺激撤除反应的不对称性相一致,支持简单的亮暗视觉后像皮层下产生的神经机制。

这项工作是在王伟研究员指导下,主要由博士生李辉完成。该工作得到国家自然科学基金(31571078,81601628),973项目以及神经科学国家重点实验室支持。

 

图2:A. ON细胞对亮光斑刺激有强的偏好反应,并且对暗光斑刺激的撤除有强的偏好反应。OFF细胞对暗光斑刺激有强的偏好反应,并且对亮光斑刺激的撤除有强的偏好反应。这种皮层下ON和OFF细胞对相反极性刺激撤除的反应可能是视觉后像产生原因。B.对亮斑刺激一段时间后撤除,被试会看到黑的视觉后像,而对暗斑刺激一段时间后撤除,被试会看到白的视觉后像。C.测量视觉后像对比度(亮暗感知强度)的实验示意图。D.个体被试心理物理实验结果。每一位被试都显示暗光斑刺激产生的视觉后像更强。E.心理物理实验群体实验结果。F.外膝体ON和OFF细胞对极性相反光斑刺激撤除后的群体反应。ON细胞的平均反应强度大于OFF细胞的平均反应强度。G.外膝体ON和OFF细胞对刺激撤除反应的相对强度分布和统计分析。