2020/12/21 信息來源： 麥戈文腦科學研究所
編輯：悠然 | 責編：山石為了推動神經科學領域的創新發展，充分展示和宣傳神經科學領域的重大科研成果，中國神經科學學會於2020年度首次開展「中國神經科學重大進展」推薦工作。
北京大學麥戈文腦科學研究所方方課題組和羅歡課題組在人類注意機制方面的研究成果、唐世明課題組在認知顏色空間形成的神經機制方面的合作研究成果入選2020年度「中國神經科學重大進展」。
成果回顧
方方、羅歡課題組：
2019年11月20日， Nature Communications發表了北京大學麥戈文腦科學研究所、心理與認知科學學院方方教授課題組和羅歡研究員在人類注意機制方面的重要進展。該研究通過重建人腦同時注意多個特徵時的神經表徵，首次揭示了注意在特徵空間的「節律性探照燈」加工模式。論文題目為 「Competing rhythmic neural representations of orientations during concurrent attention to multiple orientation features」。
面對外界海量信息，人腦需要把有限的注意加工資源進行合理分配。當注意加工資源集中於某個非空間特徵（顏色、朝向、運動方向等）的時候，個體對整個視野範圍內所有包含了目標特徵的視覺客體的感知都會變得更加敏銳。這種注意過程被稱為基於特徵的注意（feature-based attention）。在目標對象位置未知的時候，基於特徵的注意能夠幫助個體快速尋找並定位潛在目標對象的準確位置。在複雜的視覺情境下，個體往往需要同時對視野空間中多個視覺特徵進行加工，例如籃球運動員準備傳球時，需要同時關注己方隊員和對方隊員的運動方向，以規劃最優傳球路線。因此，大腦如何同時注意多個視覺特徵就成為了視覺科學領域所關心的重大問題。
解決這一問題的關鍵是在人腦神經活動中標記和追蹤注意過程中每個目標特徵的神經表徵的動態變化過程，而前人研究中的技術範式卻難以做到這點。功能磁共振成像雖然具有高空間解析度，但時間解析度較低，無法捕捉神經活動的動態過程。而腦電圖雖然有高時間解析度，但空間解析度較低，無法精確刻畫神經活動的空間模式。此外，對人腦活動的非侵入式記錄往往反映了成千上萬神經元的協同活動，因此還需要基於計算模型對每個特徵的神經表徵信息進行還原。為此，研究團隊採用了同時具有較高時間和空間解析度的腦磁圖（MEG）技術記錄人類同時注意多個視覺特徵的大腦活動（圖1），並創新性通過逆向編碼模型（Inverted Encoding Model, IEM），在毫秒級別上重構了各個注意目標特徵表徵的動態變化過程。IEM將腦磁圖信號分解為一系列朝向信息通道(orientation information channel)響應的線性和，並通過估計各通道的線性權重，還原信息通道的響應（圖2）。在實驗過程中，被試同時注意兩個朝向（45度和135度）。與此同時，研究團隊逐時間點還原各信息通道的瞬時響應並進行分析。結果發現，大腦並沒有將注意資源在兩個目標特徵之間並行分配，而是以每200-300ms的速度在多個特徵間進行交替切換。這表明在同時注意多個特徵的過程中，大腦採用了一種超越了物理空間的「節律性探照燈」,在特徵維度空間中交替對各個目標特徵進行增強（圖3-4）。研究團隊進一步在行為層面上驗證了這種節律性的特徵注意模式，並建立了相應計算神經模型。結果表明，這種多特徵間的節奏性交替增強可能來源於神經元群體之間的局部競爭，而不是全局範圍的反饋調製。這些研究結果從行為、神經和計算模型多個角度一致系統地揭示了多特徵注意加工的神經機制，首次發現了特徵空間中的「節律性探照燈」，填補了該領域的空白，也為類腦人工智慧提供了來自於人腦啟發的動態信息組織原則。
唐世明課題組：
2020年8月26日，Neuron期刊在線發表了題為「獼猴V1，V2和V4等級化的顏色處理機制」的研究論文，該研究由中國科學院神經科學研究所王偉研究組與北京大學麥戈文腦科學研究所、生命科學學院唐世明研究組合作完成。該研究利用內源性信號光學成像、雙光子成像和電生理記錄等手段，詳細描繪了等級化的不同視覺腦區的色調圖結構，揭示了認知顏色空間形成的神經機制。
英國科學家牛頓早在18世紀就意識到，光波是電磁波，它本身並不具有顏色。我們能感知數千種不同的色調，是因為大腦中存在編碼不同波段可見光的神經元（選擇性反應）。從視網膜開始，作為光探測器的視錐細胞有三種，分別檢測短波、中波和長波段的可見光，按照紅、綠、藍三原色的調色機制，我們就能感覺到千變萬化的顏色。
然而我們的研究發現，大腦能感知豐富多彩的顏色世界並非順理成章的事。在初級視皮層V1中，對於處在可見光波段兩端的紅色和藍色，選擇性反應的神經元要比編碼其他顏色的神經元多，但這種不均衡的「調色板」在V2腦區逐漸得以改善，而在V4對7種顏色編碼的神經元數量上則已經變得較為均衡，形成調和均衡的七彩調色板。因此，大腦中與我們主觀顏色感知匹配的色調圖（調色板）是在較高級的皮層完成的。
A，光的本質是電磁波，本身並沒有顏色。視網膜上的視錐細胞可將光譜信息轉化為神經信號，大腦再將這些信號加工處理最終創造出我們對顏色的主觀感知。B，本研究利用多種技術手段，描繪並分析了V1、V2、V4三個連續視覺腦區中的色調圖。C，通過定量檢測三個不同等級的視覺皮層的色調圖（調色板），研究者發現大腦中編碼顏色的神經元（調色板），隨著視覺皮層處理等級上升，存在一個逐步調和、均衡的腦機制，最終與我們主觀認知的色調空間相匹配。
北京大學麥戈文腦科學研究所（以下簡稱：研究所）於2011年由美國麥戈文基金會和國際數據集團（IDG）捐資成立。研究所在分子、細胞、環路、網絡等多個層次上，以基礎腦功能、腦認知和腦疾病為研究主線開展跨學科交叉研究。為了服務國家「腦計劃」重大戰略目標，加強北京大學腦科學研究力量，在學校、相關學院和部門的大力支持下，研究所繼續領軍國內「腦科學」領域 ，就「理解大腦、重造大腦、保護大腦」三個方面進行前沿探索。研究所現有PI32名，其中11名來自心理與認知科學學院，10名來自生命科學學院，6名來自北大醫學部，1名來自物理學院，2名來自分子醫學研究所，1名來自化學與分子工程學院，1名來自信息科學技術學院。
研究所官方網站：
https://mgv.pku.edu.cn/index.htm
相關連結：
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生命科學學院唐世明課題組與合作者揭示大腦中顏色感知的調色板機制