1月5日， 中國(guó)科學(xué)院上海生命科學(xué)研究院神經(jīng)科學(xué)研究所顧勇研究組在Cerebral Cortex期刊在線發(fā)表了題為《獼猴中顳葉腦區(qū)的運(yùn)動(dòng)信號(hào)貢獻(xiàn)于自身運(yùn)動(dòng)方向感知的因果證據(jù)》的研究論文。該研究結(jié)合心理物理實(shí)驗(yàn)、清醒獼猴胞外電生理記錄以及微電流刺激技術(shù)，研究中顳葉皮層在獼猴在進(jìn)行光流模擬運(yùn)動(dòng)的方向辨別任務(wù)時(shí)的反應(yīng)，并對(duì)該反應(yīng)進(jìn)行操控和干預(yù)，發(fā)現(xiàn)獼猴中顳葉腦區(qū)在光流刺激中能產(chǎn)生明顯的運(yùn)動(dòng)信號(hào)，而且該信號(hào)可被下游腦區(qū)加權(quán)整合，并貢獻(xiàn)于自身運(yùn)動(dòng)方向的辨別。值得一提的是，中顳葉腦區(qū)的神經(jīng)元產(chǎn)生的運(yùn)動(dòng)信號(hào)被讀取的權(quán)重與該神經(jīng)元所受到的周?chē)种瞥潭蕊@著相關(guān)。
我們生活在一個(gè)物質(zhì)豐富的世界，外周物體的狀態(tài)屬性不僅能夠反映我們所處的環(huán)境，也能為大腦所利用，從而使我們能夠分析評(píng)估自身所處的狀態(tài)。感知和分析我們自身運(yùn)動(dòng)的狀態(tài)就是大腦利用環(huán)境來(lái)估量自身的一個(gè)典型范例。當(dāng)我們?cè)谑澜缟献杂捎巫咧畷r(shí)，周?chē)矬w投射到視網(wǎng)膜上的像也隨著運(yùn)動(dòng)發(fā)生連續(xù)的變化，形成一種從運(yùn)動(dòng)方向中心朝外周擴(kuò)張的動(dòng)態(tài)模式，這種動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)模式被稱(chēng)為“光流”，已有多項(xiàng)心理物理研究的證據(jù)表明大腦可以利用整體的“光流”進(jìn)行方向辨別。這似乎說(shuō)明我們的大腦可以匯聚局部的空間信息并整合成整體“光流”的模式并從中提取信息，指導(dǎo)我們?cè)谌S空間中運(yùn)動(dòng)。但是關(guān)于這種處理方式的生理學(xué)證據(jù)以及背后相關(guān)的神經(jīng)基礎(chǔ)，卻鮮有工作涉及。
對(duì)于這個(gè)問(wèn)題，早期的研究認(rèn)為具有較大感受野的腦區(qū)如內(nèi)側(cè)上顳葉區(qū)最為適合編碼如“光流”的整體視覺(jué)模式，并在內(nèi)側(cè)上顳葉區(qū)發(fā)現(xiàn)了該區(qū)神經(jīng)元信號(hào)與方向辨別行為的因果關(guān)系，但研究生余雪菲和研究員顧勇認(rèn)為構(gòu)成整體“光流”的局部運(yùn)動(dòng)信息可能在內(nèi)側(cè)上顳葉區(qū)的上游腦區(qū)進(jìn)行了初步采集編碼，從而將關(guān)注的重點(diǎn)放在已被證明與內(nèi)側(cè)上顳葉區(qū)有投射關(guān)系的，具有相對(duì)較小感受野的中顳葉皮層。他們首先利用心理物理實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，人和獼猴利用光流辨別方向時(shí)均會(huì)受到局部額外的運(yùn)動(dòng)向量的誤導(dǎo)，傾向于選擇引入的局部運(yùn)動(dòng)向量的反方向。這種行為選擇偏移的方向和程度可通過(guò)引入的局部向量在整體“光流”上的疊加所預(yù)測(cè)。通過(guò)在進(jìn)行這種方向辨別任務(wù)的獼猴上進(jìn)行胞外電生理記錄，他們進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)，具有相對(duì)較小感受野的中顳葉皮層的神經(jīng)元不但在整體光流下依然保持著對(duì)運(yùn)動(dòng)方向的選擇性信號(hào)，而且它們的信號(hào)還會(huì)受到局部額外向量的干擾，這預(yù)示著中顳葉皮層的神經(jīng)元信號(hào)很可能是編碼“光流”局部信號(hào)的神經(jīng)基礎(chǔ)。為了證明這些信號(hào)是否為下游所用，研究人員接下來(lái)對(duì)中顳葉皮層的神經(jīng)元進(jìn)行了微電刺激并發(fā)現(xiàn)獼猴變得傾向于選擇被刺激神經(jīng)元所偏好的光流方向。更為有趣的是，獼猴行為被電刺激所偏移的程度與被刺激的神經(jīng)元所受的外周抑制強(qiáng)度呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)。也就是說(shuō)，來(lái)自于傾向于整合空間運(yùn)動(dòng)信號(hào)（外周興奮/弱抑制）的中顳葉神經(jīng)元的運(yùn)動(dòng)信號(hào)比來(lái)自于傾向于分離抽提空間運(yùn)動(dòng)信號(hào)（外周抑制）的中顳葉神經(jīng)元的運(yùn)動(dòng)信號(hào)在被下游匯聚時(shí)具有更高的權(quán)重。此外，當(dāng)位于中顳葉神經(jīng)元感受野中的視覺(jué)信息被遮擋從而僅保留外圍視覺(jué)信息時(shí)，電刺激這群“已盲”的神經(jīng)元依然能夠改變行為選擇，這項(xiàng)結(jié)果進(jìn)一步證明下游腦區(qū)對(duì)來(lái)自中顳葉皮層的局部信息進(jìn)行了匯聚。最后，研究生侯晗構(gòu)建了從中顳葉到內(nèi)側(cè)上顳葉連接的多層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，并用其對(duì)匯聚局部信息形成“光流”的過(guò)程進(jìn)行模擬，重構(gòu)出與生理實(shí)驗(yàn)類(lèi)似的結(jié)果，進(jìn)一步支持了從中顳葉到內(nèi)側(cè)上顳葉的匯聚作用。
此項(xiàng)工作詳細(xì)探究了大腦匯聚局部信息形成“光流”的生理基礎(chǔ)，并能夠?yàn)槲矬w運(yùn)動(dòng)干擾自身運(yùn)動(dòng)感知等行為學(xué)現(xiàn)象提供神經(jīng)機(jī)制上的線索。
該研究在顧勇研究員的指導(dǎo)下，由博士研究生余雪菲和侯晗完成。該課題獲得了國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目、中國(guó)科學(xué)院腦先導(dǎo)B類(lèi)專(zhuān)項(xiàng)、科技部重點(diǎn)研發(fā)專(zhuān)項(xiàng)和上海市基礎(chǔ)研究領(lǐng)域重大項(xiàng)目的資助。（神經(jīng)所）
?。?span>A）局部物體運(yùn)動(dòng)干擾示意圖；在觀測(cè)者自身發(fā)生運(yùn)動(dòng)時(shí)（黑色箭頭），局部的物體被加入額外的（物體自身）運(yùn)動(dòng)的向量（紅色箭頭）后，在視網(wǎng)膜上呈現(xiàn)出的合成運(yùn)動(dòng)向量偏移原始方向向量α度（實(shí)驗(yàn)中約6度）。(B-D)電刺激與局部向量干擾對(duì)行為的交互影響；（B）四種穿插在一次實(shí)驗(yàn)中的實(shí)驗(yàn)條件：對(duì)照（無(wú)電刺激和局部向量干擾，左上），電刺激（右上），變形的光流場(chǎng)（局部向量干擾，左下），同時(shí)給電刺激和局部向量干擾（右下）；（C）當(dāng)同時(shí)給電刺激和視覺(jué)向量干擾時(shí)，兩者產(chǎn)生的效應(yīng)是反向的情況（紅：在有電刺激的條件下的心理物理曲線；綠：在給局部向量干擾時(shí)的心理物理曲線；藍(lán)：同時(shí)給電刺激和局部向量干擾）。（D）當(dāng)同時(shí)給電刺激和視覺(jué)向量干擾時(shí)，兩者產(chǎn)生的效應(yīng)是同向的情況?！?nbsp;
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