Neuron：王偉/唐世明 等解密認知顏色空間形成的神經機制

2020-09-03 brainnews

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腦科學與智能技術卓越創新中心（神經科學研究所）、上海腦科學與類腦研究中心、神經科學國家重點實驗室王偉研究組與北京大學生命科學學院唐世明教授實驗室合作完成。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。

人們對繽紛顏色的主觀審美感覺各自不同，顏色比其他任何感知覺更能說明感知覺是大腦神經活動的產物。英國科學家牛頓早在18世紀就意識到，光波是電磁波，它並不具有顏色。我們能識別出的數千種不同的色調，是大腦為不同波段的可見光信息設定的標籤。視網膜上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，因此我們感知到的顏色空間也是三維的。一維是亮度，它反映了對視錐信號處理的「加和」能力，色調和飽和度是另外兩個維度，由不同視錐信號之間的激活差異產生。

人類的顏色認知空間，是通過心理認知實驗測量出來的，其中顏色空間的色調維度，被描述為「色調圓盤」；基於紅、綠、藍三原色理論，紅綠藍三種色調在色調圓盤上的距離是相等的。其他的認知顏色空間比如CIELab顏色空間，是基於紅、綠、黃、藍四原色理論來定義的。目前在靈長類視覺大腦腹側通路中，從初級視皮層（V1），途徑紋外皮層（V2和V4），到顳側皮層（IT）的各個視覺腦區，都發現了編碼色彩的神經元。但是色彩在等級化的不同視覺腦區是如何進行加工處理的，尤其是如何形成心理主觀層面上的顏色認知空間，根本不清楚。

為探索這個複雜的腦科學問題，該工作利用內源性信號光學成像、雙光子成像和電生理記錄等多種技術手段，以非人靈長類獼猴為動物模型，比較研究了從初級（V1）到中高級（V2和V4）三個連續視覺腦區，對亮度完全相同的紅、橙、黃、綠、青、藍、紫七種顏色刺激反應的神經活動。

研究發現在這三個連續視覺腦區內都存在著眾多大小不一離散分布的顏色反應斑點區，編碼不同光波波段的神經元就聚集這些斑點區內，形成由相鄰色調拼接構成的「色調圖」。這些「色調圖」就好像許許多多大小不等的彩虹，散布在各個視覺大腦表面上。在記錄到的V1神經元活動中，佔主導地位的是分別位於可見光波段兩端的紅色和藍色刺激反應，但這種「末端光譜」神經元反應優勢在V2腦區逐漸消失，而在V4中幾乎不存在。

從神經計算的角度分析，大腦似乎在逐步整合來自視網膜的相互拮抗的視錐神經信號的輸入，從而生成人類認知顏色空間。任何來自視網膜的給定光的色調信息首先存在於V1中，但這種信息在V2和V4腦區經過神經元的進一步的信息整合和編碼處理後，初步形成人類各種主觀色調認知。

結合其他更高級腦區的功能，視覺大腦作為一個整體，產生了對各種各樣離散色調和亮度敏感的神經元反應，並組成了一個複雜的神經計算網絡，以編碼外界千變萬化的光線變化，在大腦中產生了豐富多彩的顏色標籤。該研究的創新發現，不僅在於對這些色調圖結構的詳細描繪和研究，更是第一次定量檢測了三個不同等級的視覺皮層的色調圖（調色板）與我們主觀認知的色調空間位置的匹配程度，而這種匹配程度，隨著視覺皮層等級的提高而顯著提升。

劉曄博士和李明博士是本文的共同第一作者。倫敦大學學院的Stewart Shipp博士、曼徹斯特大學的Niall McLoughlin博士、中國科學技術大學的楊煜鵬博士在研究的不同階段做出了貢獻。本研究得到中國科學院、上海市、國家自然科學基金和教育部的資助。


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）與我們主觀認知的色調空間位置的匹配程度，研究者發現這種匹配程度隨著視覺皮層等級的提高而顯著提升。


論文連結：

https://www.cell.com/neuron/fulltext/S0896-6273(20)30581-X


報導來源：腦科學與智能技術卓越創新中心

相關焦點

  • 王偉/唐世明首次揭示不同顏色的形成機制
    但是色彩在等級化的不同視覺腦區是如何進行加工處理的，尤其是如何形成心理主觀層面上的顏色認知空間，根本不清楚。>Hierarchical Representation for Chromatic Processing across Macaque V1, V2, and V4」的研究論文，該研究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。
  • Neuron | 王偉/唐世明合作發現大腦中的調色板
    人類的顏色認知空間，是通過心理認知實驗測量出來的，其中顏色空間的色調維度，被描述為「色調圓盤」；基於紅、綠、藍三原色理論，紅綠藍三種色調在色調圓盤上的距離是相等的。其他的認知顏色空間比如CIELab顏色空間，是基於紅、綠、黃、藍四原色理論來定義的。目前在靈長類視覺大腦腹側通路中，從初級視皮層（V1）,途徑紋外皮層（V2和V4）,到顳側皮層（IT）的各個視覺腦區，都發現了編碼色彩的神經元。
  • 腦智卓越中心揭示認知顏色空間形成的神經機制
    8月26日，《神經元》雜誌在線發表了題為《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腦科學與智能技術卓越創新中心（神經科學研究所）、上海腦科學與類腦研究中心、神經科學國家重點實驗室王偉研究組與北京大學生命科學學院教授唐世明實驗室合作完成。
  • 腦智卓越中心揭示認知顏色空間形成的神經機制
    8月26日，《神經元》雜誌在線發表了題為《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腦科學與智能技術卓越創新中心（神經科學研究所）、上海腦科學與類腦研究中心、神經科學國家重點實驗室王偉研究組與北京大學生命科學學院教授唐世明實驗室合作完成。
  • 世界本來沒有顏色？科學家發現大腦中的「調色板」機制
    中國科學院腦科學與智能技術卓越創新中心王偉研究員團隊與北京大學生命科學學院唐世明教授團隊合作，詳細描繪了等級化的不同視覺腦區的色調圖結構，揭示了認知層面上的顏色空間色調圓盤形成的神經機制。相關研究成果8月26日在線發表於《神經元》。運動、形狀和顏色感知是視覺三大功能。
  • 我們是如何分辨顏色的？多虧了大腦中藏著的「調色板」
    ，詳細描繪了等級化的不同視覺腦區的色調圖結構，揭示了認知層面上的顏色空間色調圓盤形成的神經機制。王偉解釋，「生理顏色空間，是根據顏色對視網膜上的光感受器——視錐細胞的激活程度來定義的，用來描述視覺神經元編碼外來光譜信息的神經信號反應，也就是大腦的光譜信息輸入；而認知顏色空間，是通過心理物理實驗等測量方式測量人們對顏色的主觀感受而建立的，描述的則是這些外源光譜信息在大腦中經過複雜的運算整合後直觀反映的人類對顏色的心理感知和認知，相當於大腦的光譜信息輸出。」
  • 世界上所有顏色都是大腦「想」出來的!中國科學家解開大腦...
    最近，中國科學院腦科學與智能技術卓越創新中心王偉研究組和北京大學唐世明研究組合作，詳細描繪出了大腦中的「調色板」是如何給眼睛看到的世界「染」上各種顏色的。昨天（26日）深夜，國際著名學術期刊《神經元》在線發表了相關論文。 早在18世紀，英國科學家牛頓就意識到，光波其實是一種波長在特定範圍內的電磁波，它並不具有顏色。
  • Neuron | 光療增強空間記憶的神經通路機制
    比如動物研究發現光照亮度不足或光照模式紊亂可導致學習與記憶能力受損、明亮工作環境可顯著提升人的學習和工作效率、光療對於輕度認知功能障礙患者的症狀也有著不同程度的改善作用。但目前光影響記憶功能的神經機制尚不明確。
  • 世界上所有顏色都是大腦「想」出來的！中國科學家解開大腦「調色板」之謎
    最近，中國科學院腦科學與智能技術卓越創新中心王偉研究組和北京大學唐世明研究組合作，詳細描繪出了大腦中的「調色板」是如何給眼睛看到的世界「染」上各種顏色的。昨天（26日）深夜，國際著名學術期刊《神經元》在線發表了相關論文。
  • 我們如何看到顏色?科學家發現大腦「調色板」
    中國科學院腦科學與智能技術卓越創新中心研究員王偉團隊與北京大學生命科學學院教授唐世明團隊合作，詳細描繪了等級化的不同視覺腦區的色調圖結構，揭示了認知層面上的顏色空間色調圓盤形成的神經機制。相關研究成果8月26日在線發表於《神經元》。
  • 我們如何看到顏色？科學家發現大腦「調色板」
    中國科學院腦科學與智能技術卓越創新中心研究員王偉團隊與北京大學生命科學學院教授唐世明團隊合作，詳細描繪了等級化的不同視覺腦區的色調圖結構，揭示了認知層面上的顏色空間色調圓盤形成的神經機制。相關研究成果8月26日在線發表於《神經元》。
  • 世界本來沒有顏色？研究人員發現大腦中的「調色板」機制
    光波是電磁波，並不具有顏色，我們能識別出數千種不同的色調，是因為大腦給不同波段的可見光信息設定了標籤。北京時間8月26日深夜，國際學術期刊《Neuron》(《神經元》)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，該研究揭示了認知顏色空間形成的神經機制。
  • 生命科學學院唐世明課題組揭示V1神經元樹突輸入的精細時空功能圖譜
    樹突上輸入信號的線性與非線性整合，以及輸入時間序列在樹突計算中承載的重要作用等結果的發現，不斷加深和拓展了他們對神經元樹突功能的認知(Larkum et al., 1999 , Branco et al., 2010)。然而，離體的單細胞或是腦片實驗終究無法模擬真實的神經網絡所承載的生理功能，如各類體覺感知以及高級認知。
  • 我國昆蟲視覺神經機制研究獲重大突破
    本報北京8月13日電今天出版的國際權威學術刊物《科學》雜誌發表了我國青年科學家唐世明為第一作者的題為「果蠅的視覺模式識別具有視網膜位置不變性」的研究論文。年僅33歲的中科院生物物理研究所研究員唐世明等人發現和證明了果蠅的視覺具有位置不變性，這一研究成果改變了人們以往對昆蟲視覺的理解，表明果蠅的腦具有複雜的視覺信息處理機制，使昆蟲視覺與脊椎動物視覺在認知層面上統一起來。這項科研成果由唐世明領導的研究組為主與德國同行合作完成。
  • Neuron |基於螢光酶顏色轉換成像技術發現新的生物鐘神經調節機制
    作為下丘腦內的一個神經核區，SCN包含約10,000多個各個類型的神經元，每一個神經元都擁有自主的周期性震蕩功能，神經元之間又通過神經突觸的電生理聯接和其他信號轉導作用相互耦合，組成一個三維集成網絡，成為一個穩定的高精度高相干授時器。SCN分泌100多種已確定的神經遞質、神經肽、細胞因子和生長因子。
  • Neuron：中科院許曉鴻組發現編碼同類雄性特徵的神經機制
    該研究利用鈣信號記錄、化學遺傳操縱及腦片電生理等技術，解析了下丘腦腹側乳頭體前核通過整合嗅覺信息，特異性地編碼同物種雄性信息，進而調控小鼠攻擊行為的細胞及神經環路機制。雖然已有大量的研究表明下丘腦內特定核團驅動攻擊行為和求偶行為的發生，但是對於這些核團在生理條件下是如何整合來自嗅覺系統的性別信息，並進一步指導行為發生的神經機制並不清楚。利用鈣信號記錄系統，許曉鴻研究組發現腹側乳頭體前核表達多巴胺轉運體的神經細胞（PMvDAT）在小鼠嗅聞成年雄鼠尿液時強烈響應，而對於去勢雄鼠、雌鼠、幼鼠以及大鼠的尿液則反應很小。
  • ...任超然/李浩洪/蘇國輝合作揭示光療增強空間記憶的神經通路機制
    外界光照條件的改變可影響機體的認知、情緒及節律等非成像功能（Non-image-forming function）。比如動物研究發現光照亮度不足或光照模式紊亂可導致學習與記憶能力受損、明亮工作環境可顯著提升人的學習和工作效率、光療對於輕度認知功能障礙患者的症狀也有著不同程度的改善作用。