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灵长类大脑精细视觉编码的新机制
发布日期:2018-03-30    浏览次数:145

3月30日,《Neuron》期刊在线发表了题为《局部和整体物体感知中高级脑区精细视觉的脑机制》的研究论文,该研究由中科院神经科学研究所、脑科学与智能技术卓越创新中心、灵长类神经生物学重点实验室和神经科学国家重点实验室的王伟研究组完成。视觉科学的中心问题是探索从局部到整体的跨脑区视觉信息整合的脑机制。该研究通过在非人灵长类猕猴大脑视皮层V1,V2,和V4三个脑区进行群体神经元和单细胞神经元记录,探索了灵长类腹侧视觉通路中高级脑区是否存在编码精细视觉的神经基础以及它与局部和整体视觉感知的相关性。该突破性研究工作揭示了编码精细视觉的神经元不仅存在于大脑初级视觉皮层V1脑区,而且也存在于中高级视皮层V4脑区,尤其是揭示了在整体和局部的精细视觉编码中,V4脑区起到了承上启下的关键作用。该研究结果和发现不仅帮助我们认识和理解灵长类视觉大脑的工作原理,还将为神经计算,类脑人工神经网络模型和人工智能信息处理提供重要的新的理论指导和依据。

灵长类的大脑是人类目前已知最复杂的生物系统,因此探索和理解其工作原理及其神经机制是人类面临的最大挑战之一。在所有感觉输入中,视觉对人类行为和认知的贡献最为重要。不管是神经科学家、哲学家还是艺术家,都通过视觉的感知和解析,来深刻理解人类的思维和认知活动。由于我们能够毫不费力地看到眼前的视觉世界,我们常常会忽略视觉认知背后超级复杂的大脑神经环路连接和海量的神经计算。在中国具有得天独厚的资源优势的非人灵长类猕猴,是与人类最接近的模式实验动物。为了探索和研究灵长类视觉大脑的内在神经机制和外部视觉物体在视觉大脑中的重现过程,我们需要研究视觉信息编码和处理的脑机制,尤其是灵长类腹侧视觉通路中精细视觉与局部和整体视觉感知的脑机制。

灵长类视觉系统通常被描述为一个从视网膜出发,由各个不同等级的视觉脑区组成的神经环路系统。初级和次级视皮层(V1和V2)神经元具有较小的时空整合感受野,偏好局部视觉信息,而从较高级视觉脑区V4和MT/MST开始,神经元普遍具有较大的感受野,适合整合较大视野内的视觉信息,从而完成整体视觉感知和认知功能。已有的教科书式的知识认为,在灵长类等级化的视觉系统中,伴随着神经元感受野的逐级增大,各个视觉脑区的最优空间分辨率逐级下降。那么精细视觉如何传递到高级视皮层如IT区进行物体识别和认知?这是视觉科学研究中的重大基础科学问题,至今没人能回答(图A和B)。
我们最新的研究工作首先证实了前人的研究结果,发现V1,V2和V4视皮层神经元在群体上其最优空间频率选择性逐级降低,总体上V1脑区神经元空间分辨最高,V4最低。但是令我们没有想到的是,与低级视皮层V1和V2脑区相比,我们发现V4脑区居然存在“不同空间频率偏好的神经元聚集成群”的脑功能组织结构, 并且在高空间频率的集群中,V4神经元具有超高的最优空间频率选择性反应,且编码局部视觉信息,而处于低空间频率集群中的V4神经元则编码整体视觉信息。我们同时发现前者反应潜伏期比后者要长至少10毫秒,说明在没有特定视觉任务时,视觉感知是从整体开始的(course-to-fine),符合人类的视觉感知是先整体后局部细节的视觉体验。这些新发现不仅打破了严格的空间分辨率和视网膜离心度的负相关关系,而且揭示了V4在整体和局部的精细视觉编码中承上启下的关键作用:V4为更高级脑区颞侧视皮层IT脑区神经元提供前馈输入,使其在完全覆盖中央视区进行物体空间位置、远近和大小视觉特性不变性分析中获得精细视觉信息(图B)。

该项工作由博士后陆一樑,尹家鹏博士以及博士研究生陈哲远,在高级研究员王伟博士的指导下共同完成,课题组的其他成员也积极参与了该课题的研究,并得到了复旦大学附属眼耳鼻喉科医院眼科刘睿博士的大力协助。本工作得到基金委面上项目(31571078)和青年基金(81601628)的资助。

图注:此图的左侧部分展示了本研究课题提出的视觉科学关键问题及其研究方法,右侧部分呈现了本研究的主要实验结果。