上海生科院發現獼猴中顳葉皮層對自身運動方向感知的因果貢獻

上海生科院發現獼猴中顳葉皮層對自身運動方向感知的因果貢獻

2017-01-10 上海生命科學研究院

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　　1月5日，中國科學院上海生命科學研究院神經科學研究所顧勇研究組在《大腦皮層》（Cerebral Cortex）期刊在線發表了題為《獼猴中顳葉腦區的運動信號貢獻於自身運動方向感知的因果證據》的研究論文。該研究結合心理物理實驗、清醒獼猴胞外電生理記錄以及微電流刺激技術，研究中顳葉皮層在獼猴進行光流模擬運動的方向辨別任務時的反應，並對該反應進行操控和幹預，發現獼猴中顳葉腦區在光流刺激中能產生明顯的運動信號，而且該信號可被下遊腦區加權整合，並貢獻於自身運動方向的辨別。值得一提的是，中顳葉腦區的神經元產生的運動信號被讀取的權重與該神經元所受到的周圍抑制程度顯著相關。

　　我們生活在一個物質豐富的世界，外周物體的狀態屬性不僅能夠反映我們所處的環境，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。感知和分析我們自身運動的狀態就是大腦利用環境來估量自身的一個典型範例。當我們在世界上自由遊走之時，周圍物體投射到視網膜上的像也隨著運動發生連續的變化，形成一種從運動方向中心朝外周擴張的動態模式，這種動態運動模式被稱為「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」進行方向辨別。這似乎說明我們的大腦可以匯聚局部的空間信息並整合成整體「光流」的模式並從中提取信息，指導我們在三維空間中運動。但是關於這種處理方式的生理學證據以及背後相關的神經基礎，卻鮮有工作涉及。

　　對於這個問題，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」的整體視覺模式，並在內側上顳葉區發現了該區神經元信號與方向辨別行為的因果關係，但研究生餘雪菲和研究員顧勇認為構成整體「光流」的局部運動信息可能在內側上顳葉區的上遊腦區進行了初步採集編碼，從而將關注的重點放在已被證明與內側上顳葉區有投射關係的，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驗發現，人和獼猴利用光流辨別方向時均會受到局部額外的運動向量的誤導，傾向於選擇引入的局部運動向量的反方向。這種行為選擇偏移的方向和程度可通過引入的局部向量在整體「光流」上的疊加所預測。通過在進行這種方向辨別任務的獼猴上進行胞外電生理記錄，他們進一步發現，具有相對較小感受野的中顳葉皮層的神經元不但在整體光流下依然保持著對運動方向的選擇性信號，而且它們的信號還會受到局部額外向量的幹擾，這預示著中顳葉皮層的神經元信號很可能是編碼「光流」局部信號的神經基礎。為了證明這些信號是否為下遊所用，研究人員接下來對中顳葉皮層的神經元進行了微電刺激並發現獼猴變得傾向於選擇被刺激神經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元所受的外周抑制強度呈現負相關。也就是說，來自於傾向於整合空間運動信號（外周興奮/弱抑制）的中顳葉神經元的運動信號比來自於傾向於分離抽提空間運動信號（外周抑制）的中顳葉神經元的運動信號在被下遊匯聚時具有更高的權重。此外，當位於中顳葉神經元感受野中的視覺信息被遮擋從而僅保留外圍視覺信息時，電刺激這群「已盲」的神經元依然能夠改變行為選擇，這項結果進一步證明下遊腦區對來自中顳葉皮層的局部信息進行了匯聚。最後，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網絡，並用其對匯聚局部信息形成「光流」的過程進行模擬，重構出與生理實驗類似的結果，進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，並能夠為物體運動幹擾自身運動感知等行為學現象提供神經機制上的線索。

　　該研究在顧勇的指導下，由博士研究生餘雪菲和侯晗完成。該課題獲得了國家自然科學基金面上項目、中科院腦先導B類專項、科技部重點研發專項和上海市基礎研究領域重大項目的資助。

 

　　圖：（A）局部物體運動幹擾示意圖；在觀測者自身發生運動時（黑色箭頭），局部的物體被加入額外的（物體自身）運動的向量（紅色箭頭）後，在視網膜上呈現出的合成運動向量偏移原始方向向量α度（實驗中約6度）。(B-D)電刺激與局部向量幹擾對行為的交互影響；（B）四種穿插在一次實驗中的實驗條件：對照（無電刺激和局部向量幹擾，左上），電刺激（右上），變形的光流場（局部向量幹擾，左下），同時給電刺激和局部向量幹擾（右下）；（C）當同時給電刺激和視覺向量幹擾時，兩者產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；綠：在給局部向量幹擾時的心理物理曲線；藍：同時給電刺激和局部向量幹擾）。（D）當同時給電刺激和視覺向量幹擾時，兩者產生的效應是同向的情況。

　　1月5日，中國科學院上海生命科學研究院神經科學研究所顧勇研究組在《大腦皮層》（Cerebral Cortex）期刊在線發表了題為《獼猴中顳葉腦區的運動信號貢獻於自身運動方向感知的因果證據》的研究論文。該研究結合心理物理實驗、清醒獼猴胞外電生理記錄以及微電流刺激技術，研究中顳葉皮層在獼猴進行光流模擬運動的方向辨別任務時的反應，並對該反應進行操控和幹預，發現獼猴中顳葉腦區在光流刺激中能產生明顯的運動信號，而且該信號可被下遊腦區加權整合，並貢獻於自身運動方向的辨別。值得一提的是，中顳葉腦區的神經元產生的運動信號被讀取的權重與該神經元所受到的周圍抑制程度顯著相關。
　　我們生活在一個物質豐富的世界，外周物體的狀態屬性不僅能夠反映我們所處的環境，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。感知和分析我們自身運動的狀態就是大腦利用環境來估量自身的一個典型範例。當我們在世界上自由遊走之時，周圍物體投射到視網膜上的像也隨著運動發生連續的變化，形成一種從運動方向中心朝外周擴張的動態模式，這種動態運動模式被稱為「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」進行方向辨別。這似乎說明我們的大腦可以匯聚局部的空間信息並整合成整體「光流」的模式並從中提取信息，指導我們在三維空間中運動。但是關於這種處理方式的生理學證據以及背後相關的神經基礎，卻鮮有工作涉及。
　　對於這個問題，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」的整體視覺模式，並在內側上顳葉區發現了該區神經元信號與方向辨別行為的因果關係，但研究生餘雪菲和研究員顧勇認為構成整體「光流」的局部運動信息可能在內側上顳葉區的上遊腦區進行了初步採集編碼，從而將關注的重點放在已被證明與內側上顳葉區有投射關係的，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驗發現，人和獼猴利用光流辨別方向時均會受到局部額外的運動向量的誤導，傾向於選擇引入的局部運動向量的反方向。這種行為選擇偏移的方向和程度可通過引入的局部向量在整體「光流」上的疊加所預測。通過在進行這種方向辨別任務的獼猴上進行胞外電生理記錄，他們進一步發現，具有相對較小感受野的中顳葉皮層的神經元不但在整體光流下依然保持著對運動方向的選擇性信號，而且它們的信號還會受到局部額外向量的幹擾，這預示著中顳葉皮層的神經元信號很可能是編碼「光流」局部信號的神經基礎。為了證明這些信號是否為下遊所用，研究人員接下來對中顳葉皮層的神經元進行了微電刺激並發現獼猴變得傾向於選擇被刺激神經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元所受的外周抑制強度呈現負相關。也就是說，來自於傾向於整合空間運動信號（外周興奮/弱抑制）的中顳葉神經元的運動信號比來自於傾向於分離抽提空間運動信號（外周抑制）的中顳葉神經元的運動信號在被下遊匯聚時具有更高的權重。此外，當位於中顳葉神經元感受野中的視覺信息被遮擋從而僅保留外圍視覺信息時，電刺激這群「已盲」的神經元依然能夠改變行為選擇，這項結果進一步證明下遊腦區對來自中顳葉皮層的局部信息進行了匯聚。最後，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網絡，並用其對匯聚局部信息形成「光流」的過程進行模擬，重構出與生理實驗類似的結果，進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，並能夠為物體運動幹擾自身運動感知等行為學現象提供神經機制上的線索。
　　該研究在顧勇的指導下，由博士研究生餘雪菲和侯晗完成。該課題獲得了國家自然科學基金面上項目、中科院腦先導B類專項、科技部重點研發專項和上海市基礎研究領域重大項目的資助。
 
　　圖：（A）局部物體運動幹擾示意圖；在觀測者自身發生運動時（黑色箭頭），局部的物體被加入額外的（物體自身）運動的向量（紅色箭頭）後，在視網膜上呈現出的合成運動向量偏移原始方向向量α度（實驗中約6度）。(B-D)電刺激與局部向量幹擾對行為的交互影響；（B）四種穿插在一次實驗中的實驗條件：對照（無電刺激和局部向量幹擾，左上），電刺激（右上），變形的光流場（局部向量幹擾，左下），同時給電刺激和局部向量幹擾（右下）；（C）當同時給電刺激和視覺向量幹擾時，兩者產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；綠：在給局部向量幹擾時的心理物理曲線；藍：同時給電刺激和局部向量幹擾）。（D）當同時給電刺激和視覺向量幹擾時，兩者產生的效應是同向的情況。

列印 責任編輯：葉瑞優