[00126478]人类视觉信息加工的动态性和可塑性研究

人类感觉信号的80%是通过视觉获取的,视觉科学是当代脑科学最前沿的基础学科之一。研究视觉信号是如何在视觉系统中进行加工和处理的,是人类认知大脑进而揭开大脑奥秘的最重要的窗口之一。通过探索大脑皮层的视觉信息编码、加工和处理的神经机制,对理解整个大脑的工作原理和勾勒“神经活动”与“行为”之间的相互关系有帮助,这些探索对机器感知领域也有重要意义,它为复杂场景中视觉信息加工算法,提供了来自认知神经科学的新的理论依据和约束,同样将有助于对眼盲、脑盲的治疗和人工智能的实现。 视觉研究中的核心问题是物体识别,物体识别研究的关键在于研究物体在视觉系统中是如何表征和编码的,物体表征的动态性和可塑性是当前视觉研究的热点和重点。 动态性是指物体表征随着任务和情境的变化而变化,涉及多个大脑皮层区的交互作用,特别是高级视皮层和早期视皮层的交互作用。（1）物体表征的动态性受到注意的调节,研究发现人类的初级视皮层可以在视觉信息加工的非常早期阶段（72-74毫秒）生成视觉显著图,用以引导空间选择性注意的分布。以往的研究混淆了自下而上和自上而下两种注意过程,我们通过引入对意识水平的操作,证明了自下而上的注意完全可以由初级视皮层的活动预测,这一发现挑战了传统注意理论,促使研究者重新思考负责注意调控的大脑神经网络。（2）创新地采用了视觉注意范式结合时间相应函数的方法从人类大脑的整体脑电活动中分离出多个物体各自独立的神经响应活动,发现了直接的全新神经证据支持基于时间的动态注意加工,即注意过程由一系列的几百毫秒的时间组块构成,不同的物体在不同的时间组块中被加工,是首批找到视觉注意基于时间动态的序列特性神经证据的研究工作之一。（3）使用脑磁图探索知觉整合过程的神经时空动态模式,发现知觉整合起源于视觉背侧通路的顶叶区域（IPS）的早期快速激活,之后沿着视觉背侧通路反向依次调节低级脑区。表明知觉整合过程利用了背侧视觉通路的快速特性,首先快速抽取了视觉刺激的整体结构信息,由此逐级返回到初级视皮层进而对局部细节加工进行指导和调整。论文为国内首篇发表在高影响力杂志的脑磁图研究,而以往的发表的工作都是通过和国外合作方式开展的。该工作在人类身上发现了全新神经证据支持了人的视觉信息加工不是一个简单的自下而上的信息处理过程,而是包含着很多的推理和预测,特别是在一个噪声环境中,知觉会首先提取出整体信息模板来预测和处理实际输入的刺激。 可塑性是指视觉经验可以改变物体表征,从而改变视觉系统的物体识别的能力。知觉学习是一种非常适合研究大脑可塑性的实验范式,是目前认知神经科学研究的前沿问题和热点问题,对它的认知神经机制研究具有理论争论多、研究难度大、脑成像和神经生理数据少等特点。以面孔、运动、对比度、朝向等物体特征的知觉学习为切入点,结合心理物理学实验方法、脑成像技术（脑电图、结构性和功能性磁共振成像）、神经调控技术（经颅磁刺激和经颅电刺激）以及计算模型等技术手段,研究发现：（1）发现对面孔性别、朝向辨别任务的反复训练会显著提高被试的辨别表现,并且可以长久地保持。脑电实验的结果表明知觉学习导致了视觉系统对面孔刺激更快的加工和更稀疏的表征,为视觉信息加工的神经可塑性的促进模型和锐化模型提供了证据;磁共振成像实验的结果表明大脑灰质厚度与学习进步指数之间存在负相关,首次从脑功能和脑结构两个方面提供了收敛的证据表明左侧面孔梭状回（FFA）在面孔加工可塑性中的关键作用。（2）发现视觉运动方向辨别任务的训练增强了视皮层V3A区到顶内沟（IPS）的有效连接增强,学习锐化了中颞叶视觉运动区（MT）表征运动方向的调谐曲线,并且增强了MT到IPS的连接强度。该研究说明运动知觉学习是的人类大脑对训练刺激的神经表征更经济,促进了信息在决策阶段的传输,该结果也为大空间尺度上知觉学习的重赋权重理论提供了经验证据。（3）对人类被试进行长达三十天的单眼低对比度知觉训练,发现丘脑的外侧膝状体（LGN）的BOLD信号强度特异性增强,而视皮层（V1,V2,V3）在训练前后没有显著变化,又从空间上把LGN内的M细胞和P细胞分离,发现学习效应只出现在M层。研究表明成人知觉学习引起的神经可塑性不仅仅局限在大脑皮层层面,还发生在皮层下丘脑层面,揭示了知觉学习的皮层下核团神经机制。