發(fā)布時(shí)間：2018-03-30
3月30日，《Neuron》期刊在線(xiàn)發(fā)表了題為《局部和整體物體感知中高級腦區精細視覺(jué)的腦機制》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(cháng)類(lèi)神經(jīng)生物學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗室和神經(jīng)科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗室的王偉研究組完成。視覺(jué)科學(xué)的中心問(wèn)題是探索從局部到整體的跨腦區視覺(jué)信息整合的腦機制。該研究通過(guò)在非人靈長(cháng)類(lèi)獼猴大腦視皮層V1，V2，和V4三個(gè)腦區進(jìn)行群體神經(jīng)元和單細胞神經(jīng)元記錄，探索了靈長(cháng)類(lèi)腹側視覺(jué)通路中高級腦區是否存在編碼精細視覺(jué)的神經(jīng)基礎以及它與局部和整體視覺(jué)感知的相關(guān)性。該突破性研究工作揭示了編碼精細視覺(jué)的神經(jīng)元不僅存在于大腦初級視覺(jué)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(jué)編碼中，V4腦區起到了承上啟下的關(guān)鍵作用。該研究結果和發(fā)現不僅幫助我們認識和理解靈長(cháng)類(lèi)視覺(jué)大腦的工作原理，還將為神經(jīng)計算，類(lèi)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和依據。
靈長(cháng)類(lèi)的大腦是人類(lèi)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(jīng)機制是人類(lèi)面臨的最大挑戰之一。在所有感覺(jué)輸入中，視覺(jué)對人類(lèi)行為和認知的貢獻最為重要。不管是神經(jīng)科學(xué)家、哲學(xué)家還是藝術(shù)家，都通過(guò)視覺(jué)的感知和解析，來(lái)深刻理解人類(lèi)的思維和認知活動(dòng)。由于我們能夠毫不費力地看到眼前的視覺(jué)世界，我們常常會(huì )忽略視覺(jué)認知背后超級復雜的大腦神經(jīng)環(huán)路連接和海量的神經(jīng)計算。在中國具有得天獨厚的資源優(yōu)勢的非人靈長(cháng)類(lèi)獼猴，是與人類(lèi)最接近的模式實(shí)驗動(dòng)物。為了探索和研究靈長(cháng)類(lèi)視覺(jué)大腦的內在神經(jīng)機制和外部視覺(jué)物體在視覺(jué)大腦中的重現過(guò)程，我們需要研究視覺(jué)信息編碼和處理的腦機制，尤其是靈長(cháng)類(lèi)腹側視覺(jué)通路中精細視覺(jué)與局部和整體視覺(jué)感知的腦機制。
靈長(cháng)類(lèi)視覺(jué)系統通常被描述為一個(gè)從視網(wǎng)膜出發(fā)，由各個(gè)不同等級的視覺(jué)腦區組成的神經(jīng)環(huán)路系統。初級和次級視皮層（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(jué)信息,而從較高級視覺(jué)腦區V4和MT/MST開(kāi)始，神經(jīng)元普遍具有較大的感受野，適合整合較大視野內的視覺(jué)信息，從而完成整體視覺(jué)感知和認知功能。已有的教科書(shū)式的知識認為，在靈長(cháng)類(lèi)等級化的視覺(jué)系統中，伴隨著(zhù)神經(jīng)元感受野的逐級增大，各個(gè)視覺(jué)腦區的最優(yōu)空間分辨率逐級下降。那么精細視覺(jué)如何傳遞到高級視皮層如IT區進(jìn)行物體識別和認知？這是視覺(jué)科學(xué)研究中的重大基礎科學(xué)問(wèn)題，至今沒(méi)人能回答（圖A和B）。
我們最新的研究工作首先證實(shí)了前人的研究結果，發(fā)現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降低，總體上V1腦區神經(jīng)元空間分辨最高，V4最低。但是令我們沒(méi)有想到的是，與低級視皮層V1和V2腦區相比，我們發(fā)現V4腦區居然存在“不同空間頻率偏好的神經(jīng)元聚集成群”的腦功能組織結構, 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，且編碼局部視覺(jué)信息，而處于低空間頻率集群中的V4神經(jīng)元則編碼整體視覺(jué)信息。我們同時(shí)發(fā)現前者反應潛伏期比后者要長(cháng)至少10毫秒，說(shuō)明在沒(méi)有特定視覺(jué)任務(wù)時(shí)，視覺(jué)感知是從整體開(kāi)始的（coarse-to-fine），符合人類(lèi)的視覺(jué)感知是先整體后局部細節的視覺(jué)體驗。這些新發(fā)現不僅打破了嚴格的空間分辨率和視網(wǎng)膜離心度的負相關(guān)關(guān)系，而且揭示了V4在整體和局部的精細視覺(jué)編碼中承上啟下的關(guān)鍵作用：V4為更高級腦區顳側視皮層IT腦區神經(jīng)元提供前饋輸入，使其在完全覆蓋中央視區進(jìn)行物體空間位置、遠近和大小視覺(jué)特性不變性分析中獲得精細視覺(jué)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(xué)附屬眼耳鼻喉科醫院眼科劉睿博士的大力協(xié)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(jué)科學(xué)關(guān)鍵問(wèn)題及其研究方法，右側部分呈現了本研究的主要實(shí)驗結果。
附件下載： 
