1月5日， 中國科學(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(xiàn)發(fā)表了題為《獼猴中顳葉腦區的運動(dòng)信號貢獻于自身運動(dòng)方向感知的因果證據》的研究論文。該研究結合心理物理實(shí)驗、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)行光流模擬運動(dòng)的方向辨別任務(wù)時(shí)的反應，并對該反應進(jìn)行操控和干預，發(fā)現獼猴中顳葉腦區在光流刺激中能產(chǎn)生明顯的運動(dòng)信號，而且該信號可被下游腦區加權整合，并貢獻于自身運動(dòng)方向的辨別。值得一提的是，中顳葉腦區的神經(jīng)元產(chǎn)生的運動(dòng)信號被讀取的權重與該神經(jīng)元所受到的周?chē)种瞥潭蕊@著(zhù)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估自身所處的狀態(tài)。感知和分析我們自身運動(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。當我們在世界上自由游走之時(shí)，周?chē)矬w投射到視網(wǎng)膜上的像也隨著(zhù)運動(dòng)發(fā)生連續的變化，形成一種從運動(dòng)方向中心朝外周擴張的動(dòng)態(tài)模式，這種動(dòng)態(tài)運動(dòng)模式被稱(chēng)為“光流”，已有多項心理物理研究的證據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，指導我們在三維空間中運動(dòng)。但是關(guān)于這種處理方式的生理學(xué)證據以及背后相關(guān)的神經(jīng)基礎，卻鮮有工作涉及。
對于這個(gè)問(wèn)題，早期的研究認為具有較大感受野的腦區如內側上顳葉區最為適合編碼如“光流”的整體視覺(jué)模式，并在內側上顳葉區發(fā)現了該區神經(jīng)元信號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為構成整體“光流”的局部運動(dòng)信息可能在內側上顳葉區的上游腦區進(jìn)行了初步采集編碼，從而將關(guān)注的重點(diǎn)放在已被證明與內側上顳葉區有投射關(guān)系的，具有相對較小感受野的中顳葉皮層。他們首先利用心理物理實(shí)驗發(fā)現，人和獼猴利用光流辨別方向時(shí)均會(huì )受到局部額外的運動(dòng)向量的誤導，傾向于選擇引入的局部運動(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”上的疊加所預測。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，具有相對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(zhù)對運動(dòng)方向的選擇性信號，而且它們的信號還會(huì )受到局部額外向量的干擾，這預示著(zhù)中顳葉皮層的神經(jīng)元信號很可能是編碼“光流”局部信號的神經(jīng)基礎。為了證明這些信號是否為下游所用，研究人員接下來(lái)對中顳葉皮層的神經(jīng)元進(jìn)行了微電刺激并發(fā)現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度呈現負相關(guān)。也就是說(shuō)，來(lái)自于傾向于整合空間運動(dòng)信號（外周興奮/弱抑制）的中顳葉神經(jīng)元的運動(dòng)信號比來(lái)自于傾向于分離抽提空間運動(dòng)信號（外周抑制）的中顳葉神經(jīng)元的運動(dòng)信號在被下游匯聚時(shí)具有更高的權重。此外，當位于中顳葉神經(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，這項結果進(jìn)一步證明下游腦區對來(lái)自中顳葉皮層的局部信息進(jìn)行了匯聚。最后，研究生侯晗構建了從中顳葉到內側上顳葉連接的多層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )，并用其對匯聚局部信息形成“光流”的過(guò)程進(jìn)行模擬，重構出與生理實(shí)驗類(lèi)似的結果，進(jìn)一步支持了從中顳葉到內側上顳葉的匯聚作用。
此項工作詳細探究了大腦匯聚局部信息形成“光流”的生理基礎，并能夠為物體運動(dòng)干擾自身運動(dòng)感知等行為學(xué)現象提供神經(jīng)機制上的線(xiàn)索。
該研究在顧勇研究員的指導下，由博士研究生余雪菲和侯晗完成。該課題獲得了國家自然科學(xué)基金面上項目、中國科學(xué)院腦先導B類(lèi)專(zhuān)項、科技部重點(diǎn)研發(fā)專(zhuān)項和上海市基礎研究領(lǐng)域重大項目的資助。（神經(jīng)所）
（A）局部物體運動(dòng)干擾示意圖；在觀(guān)測者自身發(fā)生運動(dòng)時(shí)（黑色箭頭），局部的物體被加入額外的（物體自身）運動(dòng)的向量（紅色箭頭）后，在視網(wǎng)膜上呈現出的合成運動(dòng)向量偏移原始方向向量α度（實(shí)驗中約6度）。(B-D)電刺激與局部向量干擾對行為的交互影響；（B）四種穿插在一次實(shí)驗中的實(shí)驗條件：對照（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)生的效應是反向的情況（紅：在有電刺激的條件下的心理物理曲線(xiàn)；綠：在給局部向量干擾時(shí)的心理物理曲線(xiàn)；藍：同時(shí)給電刺激和局部向量干擾）。（D）當同時(shí)給電刺激和視覺(jué)向量干擾時(shí)，兩者產(chǎn)生的效應是同向的情況。
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