深圳先進院黃艷團隊在人類皮層下通路的功能研究上取得新進展
近日,中國科學(xué)院深圳先進技術(shù)研究院(簡稱“深圳先進院”)腦認知與腦疾病研究所黃艷團隊與中國科學(xué)院生物物理所陳霖院士團隊的最新合作研究成果,以“A subcortical magnocellular pathway is responsible for the fast processing of topological properties of objects: A transcranial magnetic stimulation study”為題,在線發(fā)表于腦成像領(lǐng)域頂刊Human Brain Mapping上。該研究通過經(jīng)顱磁刺激TMS的研究發(fā)現(xiàn),人類視覺系統(tǒng)通過皮層下大細胞通路快速處理物體的拓撲性質(zhì),從而實現(xiàn)高效的物體識別。中科院生物物理所的王文博為文章第一作者,陳霖院士為文章的共同通訊作者,深圳先進院的黃艷為最后通訊作者。
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原文鏈接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/hbm.26162
在復(fù)雜的環(huán)境中,快速地識別周圍的物體對于生存至關(guān)重要。在視知覺的研究中,如何在視覺過程的初期快速形成對物體的知覺是一個非?;A(chǔ)并且重要的課題。早在1982年的一篇Science文章中,陳霖院士團隊首次提出物體的拓撲性質(zhì)是視覺系統(tǒng)首先抽提的一種基本屬性。物體的拓撲性質(zhì)是基于拓撲學(xué)定義下的幾何性質(zhì),拓撲學(xué)也被形象地稱為橡皮薄膜上的數(shù)學(xué)。一張橡皮薄膜在任意連續(xù)形變(除了撕破,撕裂和粘貼)的過程中拓撲性質(zhì)保持不變,而薄膜被扯破出現(xiàn)洞的時候拓撲性質(zhì)就發(fā)生了變化。先前大量的行為實驗支持了拓撲性質(zhì)的優(yōu)先加工,如優(yōu)先于顏色、朝向等屬性的加工。拓撲性質(zhì)是如何被優(yōu)先加工的,它的優(yōu)先加工對物體快速識別有什么樣的作用?視覺通路一般被認為可以分為快速的大細胞通路和慢速的小細胞通路,這兩條通路大致對應(yīng)著皮層的背側(cè)通路和腹側(cè)通路。結(jié)合之前小鼠研究的發(fā)現(xiàn)拓撲性質(zhì)變化的檢測發(fā)生在皮層下的上丘核團[1],黃艷等人提出這樣的猜想,可能存在一條皮層下大細胞通路,這條通路通過首先抽提物體的拓撲性質(zhì)來實現(xiàn)物體的快速加工。
研究人員采用單脈沖經(jīng)顱磁刺激TMS,在刺激出現(xiàn)后的不同時間點作用于初級視覺皮層V1,以暫時阻斷視覺信息在皮層的加工。同時結(jié)合大細胞通路和小細胞通路的加工特性,設(shè)計了偏向大細胞通路加工的M刺激(低對比度灰度圖像)以及偏向小細胞通路加工的P刺激(主觀等亮度紅/綠圖形),見圖1。研究發(fā)現(xiàn),在視覺加工初期(30 ms)以及晚期(135-170 ms),TMS對V1的阻斷都會明顯干擾形狀等非拓撲性質(zhì)的識別(圖1C);然而,在視覺過程初期TMS對V1的阻斷沒有對M刺激的拓撲性質(zhì)的加工造成干擾(圖1B, C)。這提示,拓撲性質(zhì)的初期加工獨立于皮層,發(fā)生在皮層下的大細胞通路。
進一步,在實驗二中研究人員利用無意識的啟動范式發(fā)現(xiàn),皮層下大細胞通路對物體的拓撲性質(zhì)的加工有利于物體的快速識別。研究人員解釋到,視覺系統(tǒng)可能是通過快速加工物體的拓撲性質(zhì),建立一個粗糙的物體表征,然后再把物體的其他屬性填充到這個表征里,完成物體的識別(圖2)。
該研究在探索人類皮層下視覺通路功能上邁出了重要的一步,擴充了以往關(guān)于皮層下通路只是加工恐懼等威脅信息的認識。眾多的腦疾病如精神分裂癥、焦慮癥等被報道皮層下通路功能異常。這一發(fā)現(xiàn)將有助于深入理解相關(guān)腦疾病的發(fā)生機制,為疾病的早期篩查、客觀診斷和干預(yù)策略提供新的研究思路。
圖1. 實驗流程和刺激圖形
圖2. 拓撲性質(zhì)的皮層下加工加快物體識別
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