研究揭示靈長類大腦精細視覺編碼新機制
3月30日，《神經元》（Neuron）雜誌在線發表了題為《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。該研究由中國科學院上海生命科學研究院神經科學研究所、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於大腦初級視覺皮層V1腦區，而且也存在於中高級視皮層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人們進一步認識和理解了靈長類視覺大腦的工作原理，還將為神經計算、類腦人工神經網路模型和人工智慧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複雜的生物系統，因此探索和理解其工作原理及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。不論是神經科學家、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。由於我們能夠毫不費力地看到眼前的視覺世界，因此常常會忽略視覺認知背後超級複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，科學家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解析度逐級下降。那麼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，至今沒人能夠回答。
王偉研究組最新的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。但沒有想到的是，與低級視皮層V1和V2腦區相比，研究發現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，並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，而處於低空間頻率集群中的V4神經元則編碼整體視覺信息。研究同時發現，前者反應潛伏期比後者要長至少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（course-to-fine），符合人類的視覺感知是先整體後局部細節的視覺體驗。這些新發現不僅打破了嚴格的空間解析度和視網膜離心度的負相關關係，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。
該項工作由博士後陸一樑、博士尹家鵬以及博士研究生陳哲遠在王偉的指導下共同完成，課題組的其他成員也積极參与了該課題研究。該研究工作還得到了復旦大學附屬眼耳鼻喉科醫院眼科博士劉睿的大力協助。該工作得到國家自然科學基金委面上項目和青年基金的資助。
左側部分展示了本研究提出的視覺科學關鍵問題及其研究方法，右側部分呈現了主要實驗結果。
來源：中國科學院神經科學研究所
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