【402com永利1站】上海生科院揭示Pinna旋转错觉感知的脑机制

眼睛是心灵的窗口,自古以来,视觉感知吸引着人类强烈的好奇心和经久不衰的研究热情。睁开眼睛看世界,这个看似毫不费力的动作实际上蕴含了极其复杂的神经网络和海量的神经运算。视觉错觉,是一种真实的感知觉,它反映的是人视网膜物理输入和大脑视皮层感知之间的不一致,是人类大脑通过复杂的脑区之间的相互作用和神经计算而产生的与视网膜物理输入不匹配的视觉感知现象。人类在自然生活中,由于视觉刺激和场景的不同,再加上观察者生理上和心理上的差异,可以自觉和不自觉地感知到各种各样的视觉错觉,如运动视觉错觉,形状视觉错觉,颜色视觉错觉,大小和位置视觉错觉等等。由于视觉错觉令人着迷的特殊性和丰富性,它激发了人类无穷的想象空间。研究真实和错觉之间的关系以及错觉在大脑中是如何产生的脑机制,为人类深入解读大脑奥秘提供了一个重要窗口。

11月22日,中国科学院上海生命科学研究院神经科学研究所王征研究组在Cerebral
Cortex
在线发表了题为Dynamic network communication in the human
functional connectome predicts perceptual variability in visual
illusion

的研究论文。该研究利用磁共振成像技术构建动态脑功能联接图谱来研究人类对Pinna错觉感知差异的机制,发现脑联接图谱的两个子模块间的信息处理效率越高,感知到的Pinna错觉越弱,即越真实地感知外部物理世界。

2月19日,《神经科学杂志》在线发表了题为《随着光流:真实光流运动向错觉光流运动转换的脑神经机制》的研究论文。该研究由中国科学院神经科学研究所、脑科学与智能技术卓越创新中心、神经科学国家重点实验室和中科院灵长类神经生物学重点实验室视知觉脑机制研究组完成。光流运动(Flow
motion)视觉错觉包括旋转错觉、收缩和扩张错觉以及螺旋运动错觉。结合心理物理实验和脑功能核磁成像技术,该研究组及其同事的前期合作工作首先揭示了旋转运动错觉的表征区域问题,他们发现编码真实旋转运动的人内颞上区也能够编码错觉旋转运动(Pan
et al.,2016; Wang et al.,
2018)。以此为基础,该研究组进一步探索了真实光流运动向错觉光流运动转化的脑神经生理机制。这种信息转化机制的阐明能够帮助人们更好地理解视觉信息在不同等级脑区之间的传递过程以及从局部到整体的视觉信息整合的加工原理。

Pinna旋转运动视觉错觉是由意大利视觉科学艺术家Baingio
Pinna设计和发现的一种视觉错觉,也是闻名于世的一种涉及旋转运动的错觉。如图1所示,当人注视图片中心黑点,头部靠近屏幕时,会很明显地感受到两个圆环在分别以逆时针和顺时针方向旋转,但事实上圆环并没有任何物理移动。中国科学院上海生命科学研究院神经科学研究所王伟研究组、王征研究组和顾勇研究组紧密合作,结合心理物理和功能磁共振成像手段,对比真实旋转运动,探索人类大脑中那些相关视皮层区域可以编码和表征Pinna
旋转运动错觉。他们发现无论是真实旋转运动还是扩张中无实际运动的Pinna图形刺激,都激活了人类大脑V1、V2、V3、V4、MT和MST等脑区。然而,在去除了视网膜拓扑激活的共同成分后,通过对大脑中由真实旋转和Pinna图像刺激激活的脑功能图谱的统计分析,在健康人群中首次发现,与真实旋转运动一样,Pinna错觉的皮层编码区域主要集中在内侧颞叶中颞上区。二者在反应幅度上没有显著差异。该工作于3月4日在线发表在Human
Brain Mapping
期刊上。

对外部世界的感知是人类的基本能力,就像“世界上没有两片完全相同的树叶”,任何两个人对同一事物的感知也是有差异的,然而目前感知差异的大脑机制仍不清楚。错觉是指我们的感知与真实事物有差异。人类对某些错觉的感知差异很大,有的人能够明显感知到,有些人却感受很微弱,甚至不能感知,所以错觉为感知的个体差异机理研究提供了便利。Pinna旋转运动视觉错觉是由意大利视觉科学艺术家Baingio
Pinna设计和发现的一种视觉错觉,如图A所示,当注视图片中心黑点,头部靠近屏幕时,会很明显地感受到两个圆环在分别以逆时针和顺时针方向旋转,但事实上圆环并没有任何物理旋转。前期神经所王伟课题组、王征课题组和顾勇课题组鼎力合作,结合心理物理和功能磁共振成像手段,发现Pinna错觉的皮层编码区域主要集中在内侧颞叶中颞上区,此工作今年作为封面文章发表在Human
Brain
Mapping
上。当研究人员用心理物理的方法定量评估73位志愿者对Pinna错觉的感知水平,发现有些志愿者感觉到非常明显的旋转错觉,有些却感觉不明显(群体感知水平基本服从正态分布,图B)。这个现象背后的神经机制是什么呢?

视觉错觉,是一种真实的感知觉,它反映的是人视网膜物理输入和大脑视皮层感知之间的不一致,是人类大脑通过复杂的脑区之间的相互作用和海量神经计算而产生的。人类在自然生活中,由于视觉刺激和场景的不同,再加上观察者生理上和心理上的差异,可以自觉和不自觉地感知到各种各样的视觉错觉,如运动视觉错觉、形状视觉错觉、颜色视觉错觉、大小和位置视觉错觉等。由于视觉错觉令人着迷的特殊性和丰富性,它激发了人类研究真实和错觉之间的关系以及错觉在大脑中是如何产生的脑机制,为人们深入解读大脑奥秘提供了一个重要窗口。图1A展示的是著名的Pinna旋转视觉错觉,当人注视图片中心黑点,头部靠近屏幕时,会很明显地感受到两个圆环在分别以逆时针和顺时针方向旋转,但事实上圆环本身并没有任何物理移动。这种整体运动视觉错觉感知的强弱,与构成图形的局部细节密切相关。虽然Pinna错觉广为人知,但它在大脑中是如何产生的脑神经编码机制迄今不清楚。

该工作是上海生科院神经所脑影像中心成立以来,首次发表利用功能磁共振成像研究人类脑功能的探索性研究工作。三个实验室将发挥团队协作优势,继续展开更深入的脑功能成像研究,以及在非人灵长类动物上开展神经电生理记录,从多个角度系统性地研究视觉错觉形成的神经机制。此项目得到国家自然科学基金、青年千人、中科院百人计划以及神经科学国家重点实验室的支持。

研究人员使用功能磁共振成像技术先获得Pinna错觉激活的全部脑区,然后计算在感知Pinna错觉时这些脑区间的功能连接,构建动态脑功能联接图谱。进而运用图论的方法解析该图谱的子网络结构,发现三个层级关系鲜明的子网络模块:初级视觉模块,由低级的视觉脑区组成;中级视觉模块,由较高级的视觉脑区组成;高级模块,由更高级的额叶和顶叶功能区组成。分析模块内部与模块之间的信息交流和Pinna错觉感知水平的关系,研究人员发现,两个视觉子网络之间的信息处理效率越高,感知到的Pinna错觉就越弱,即被试者越真实地感受物理世界;并且还可以直接利用脑图谱子模块间的通讯效率来预测个体的Pinna错觉感知。此研究首次揭示大脑子网络之间的通讯效率可能决定了人类对外界感知的差异,为研究大脑网络动力学与高级认知功能之间的关系提供了全新的研究思路,可广泛应用于其它高级脑功能的网络研究。同时,此项新技术方法也可以用于精神类疾病的脑图谱研究,深入解读精神疾病的神经环路机制。

本工作中,该课题组科研人员通过使用心理物理和单个神经元电生理记录技术手段,在精确控制Pinna错觉刺激参数的条件下,详细研究了各类复杂光流运动(包括旋转、扩张/收缩和螺旋,图1B),从真实向错觉转化发生事件过程中的运动信息脑神经整合机制。在心理物理实验中,他们首先揭示了猕猴和人一样,也能感知到Pinna运动错觉。在猕猴背侧视觉通路中两个编码视觉运动信息的高级脑区,背侧内颞上区和中颞区进行单细胞电生理记录,结果表明MSTd脑区神经元可以等价地表征真实和错觉的复杂光流运动,并且这两类光流运动信息都是通过大范围视野内整合其前级MT脑区局部运动信号的输入而产生得来的。进一步的研究表明,各种复杂光流运动错觉在MSTd脑区神经元中的表征需要花费更多的神经整合时间。借助Pinna错觉刺激的各种独有优势,他们的实验结果首次揭示了复杂光流运动视觉错觉在背侧视觉通路MT和MSTd脑区中的神经整合编码机制:首先,MSTd脑区中特异性编码某一类真实光流运动(分别编码如旋转、收缩、扩张和螺旋运动)的神经元也能够编码相对应的视觉错觉光流运动;其次,和真实运动一样,光流运动视觉错觉也是通过整合其前级MT脑区神经元局部视觉运动信号而形成的。MT神经元的这些局部视觉运动信号是通过光圈孔径效应(Aperture
effect)产生的。最后,光流运动视觉错觉需要更长的神经整合时间来完成从局部到整体的视觉表征。蒲肯野在150年前曾经说过:“illusions
contain visual
truth(视觉错觉包含视觉真相)”。他们的工作也为蒲肯野对视觉错觉的精确表述,提供了最直接的神经生理学证据和理论支持。

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