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陆一樑 大脑精细视觉新机制

发布时间:2022-08-19

编者按:脑科学对各种脑功能的解析、脑疾病的诊断治疗、类脑智能和脑机接口的技术开发,都具有非常重要的意义,中科院之声与澳门新威斯人网站联合开设“脑智擘未来”专栏,为大家解读视觉、学习记忆、注意力、抉择、意识、语言、共情、合作等日常生活中常见行为和现象的研究方式和科学发现。

[video:大脑精细视觉新机制丨脑智擘未来]

  眼睛是心灵的窗户,它将各种可见光信号在视网膜上转化成神经电信号,经过多级视网膜神经网络编码后传入大脑,从而让我们产生视觉感知。视觉起源于眼睛而形成于大脑,它是人们用来获取外部信息,感知这个丰富多彩世界最主要的感知觉,因此是所有高级认知功能的基础。由于我们能够毫不费力地看到眼前的视觉世界,我们常常会忽略视觉认知背后超级复杂的大脑神经环路连接和海量的神经计算。

  视觉系统接收的输入是复杂多样的,因此视觉系统需要具有同时处理自然界中各种复杂信息的能力。在日常生活中,视觉系统会同时接受很多不同空间尺度的信息。我们的大脑是如何让我们在看到整体画面的同时,又抓住动人细节的?局部精细的视觉信息又是如何在大脑中被加工处理从而让我们看到的?这是困扰了全球视觉神经科学家们长达半个多世纪的重大命题。

  灵长类的大脑,是人类目前已知最为复杂的生物系统,因此探索和理解其工作原理及其神经机制是人类面临的最大挑战之一。大脑可以分成很多功能区域,其中视觉信息是在位于大脑枕叶的视觉感知区中,由低级向高级脑区传递的。传统理论认为,低级视皮层的神经元具有较高的空间分辨率和较小的时空整合感受野,主要负责处理局部细节信息,而高级脑区的神经元普遍具有较大的感受野,空间分辨率较低,负责对较大范围的视觉信息进行整合,两者分工合作,让我们的大脑能再现外界丰富多彩的视觉事件,完成整体和局部的视觉感知与认知功能。

  中国科学院的科研人员们选用视觉功能发达的非人灵长类猕猴作为模式研究动物,发现在高级视觉皮层V4区中,除了存在大量低空间分辨率神经元可以编码整体图像之外,还存在着一些对高度精细的局部视觉刺激有强烈视觉偏好反应的神经元聚集成群。并且这两类神经元在反应时间上的区别,也符合人类先看到整体后注意到细节的视觉体验。该研究工作推翻了传统的理论观点,揭示了编码精细视觉的神经元不仅存在于大脑初级视觉皮层V1脑区,而且也存在于中高级视皮层V4中,尤其是揭示了在整体和局部的精细视觉编码中,V4脑区起到了承上启下的关键作用。这样其他负责高级认知功能的大脑皮层,就可以直接从高级视觉皮层V4直接读取到精细的细节信息,从而更快捷地与外部世界进行互动。

  这项突破性研究工作,揭示了精细视觉感知在大脑中编码的新机制,该研究成果不仅能帮助我们认识和理解灵长类视觉大脑的工作原理,还将为神经计算类脑、人工神经网络模型和人工智能信息处理提供新的理论指导和依据。

  作者:澳门新威斯人网站 陆一樑

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