"大范围优先"对象形成的神经关联:前颞叶

知觉对象是什么?这事看起来很简单,却是认知科学许多领域中最核心的问题,目前为止还没有公认的解答."大范围优先"的拓扑学方法把知觉对象的定义严格地联系到拓扑变换下的不变量.知觉对象的直观概念-形状改变时其整体一致性得以保持-可以精确地被拓扑不变量,如连接组分和洞,所刻画.知觉对象的拓扑学定义已经被大量的行为学实验所验证.这些实验一致表明,虽然对象的一致性能够在非拓扑变换下得以保持,却会被拓扑变换所破坏,从而一个新的对象被感知到.特别是进一步的功能磁共振成像实验揭示,前颞页区参与拓扑知觉和知觉对象的形成,而这一脑区本来是形式视觉通路的终点.行为学上"大范围优先"的结果与视觉通路神经解剖学结果的悖逆,提示我们应该注意对象表征形成的问题和更广泛的意义上,知觉到底在何处发生的基本问题.     

连续闪现抑制下对洞的无意识知觉

大量收敛一致的实验证据表明,图形的大范围性质可以由拓扑性质来描述,并且其检测发生在视觉过程的最早期,这些证据几乎全部来自对意识上知觉的研究,而拓扑性质的意识下加工机制尚有待发掘.意识下知觉是人的感官系统客观上接受刺激呈现但主观上没有察觉的知觉,其机制和应用长期以来一直是知觉研究的热点.本文采用了一种双眼竞争的变式——连续闪现抑制,将待检测的刺激图形掩蔽,使之处于意识下状态,考察意识下知觉中拓扑性质的加工."洞的个数"作为一种拓扑性质是本文的研究对象.通过量度被抑制图形从发生变化到被知觉的被抑制时间,或者被试对被抑制的变化图形的正确检测率,我们发现,相比于不变或者各种非拓扑性质变化,意识下知觉中的拓扑性质(洞的个数)的变化会使图形更快、更容易被检测到.本研究揭示了拓扑性质(洞的个数)在意识下知觉中的优先性,将拓扑知觉理论从意识上知觉领域拓展到了意识下知觉领域,为拓扑性质加工的早期性提供了有力的证据;另一方面,本研究也提示了拓扑性质经由皮层下视通路加工处理的可能性.     

拓扑不变性质在运动诱发视盲现象中的作用

知觉物体的定义是认知科学领域富有争议的中心问题之一．本研究通过运动诱发视盲(MIB)现象的研究发现：a．两个图形当它们是连通的,或位于同一个洞中,或是具有相同的洞的个数,更倾向于整体共同消失或重现;b．前景图形和背景图形的拓扑性质差异,较之非拓扑性质差异,显著地削弱MIB现象;c．相对于其他各种几何性质的变化,拓扑性质的变化能更快地被知觉到返回意识状态．这些结果揭示了拓扑性质定义的知觉物体是MIB过程操作的基本单元,提示了拓扑性质改变产生新知觉物体的表征可能是意识下的过程,进一步支持了知觉物体的拓扑学定义．     

目标和干扰子之间的拓扑性质差异可以削弱拥挤效应

"拥挤效应"被认为是外周视觉物体辨认过程中的一个重要瓶颈.它是指当目标被干扰子包围,在外周视野呈现时,观察者辨认目标的能力被大大削弱,尤其是当目标和干扰子之间存在某种相似性时.许多研究分别试图在不同层次上提出解释这一现象的机制.本文通过三个实验,使用了不同的视觉刺激图形的辨认任务(例如,三角形和箭头的朝向判断、数字和字母的辨认以及S形图形的朝向辨认),测量了目标和干扰子之间中心距离的阈值,结果一致地发现,当目标和干扰子之间存在拓扑性质差异(洞的个数差异)时,拥挤效应会显著降低,并且排除了目标和干扰子之间的主观相似性、形状和面积差异等可能的因素.从知觉组织的角度验证了当目标和干扰子之间存在拓扑性质差异时,拥挤效应会显著降低,这是首次发现的一个影响拥挤效应的新的维度.本文结果不仅为拥挤效应的机制提供了一个新的解释,也为大范围首先拓扑知觉在知觉物体形成中的作用提供了支持性证据.     

小鼠对不同拓扑性质图形的识别

视觉感知的一系列研究都支持大范围拓扑感知的理论．拓扑性质作为整体性质,是视觉感知的基础．视觉对图形拓扑特征差异的感知要优先于对局部特征差异的感知．采用Y迷宫研究了小鼠对不同拓扑性质图形的识别．训练小鼠学习识别圆环和实心矩形这一对拓扑性质不同的图形,之后用拓扑特征相同或不同的其他图形测试小鼠,这些图形包括空心矩形、实心圆、缺口的圆环、缺口的空心矩形．实验结果表明,学会识别圆环(奖励)和实心矩形(无奖励)的小鼠无法区分实心圆和实心矩形以及圆环和空心矩形,但是能够分别从缺口圆环、缺口的空心矩形、实心圆与空心矩形组成的图形对中识别出空心矩形．因此证实了小鼠的视觉系统能够感知拓扑特征的差异并且具有对拓扑性质的概括能力．结果为拓扑知觉对视觉系统来说是基本的这一假设提供了证据．     

视觉系统中的性别差异

大脑性别差异一直是神经科学领域中的一个热门话题.以前的性别差异研究往往关注与高级认知相关的脑区结构和功能差异,而对低级感知觉系统中的性别差异没有足够的重视.近年来,越来越多的研究结果表明,男性和女性在视知觉功能上也存在着明显的差异.本文首先回顾和梳理了视觉系统中存在性别差异的行为学和神经生物学证据,然后对视觉系统中性别差异的来源提出了两种可能的解释,接着讨论了视知觉功能存在性别差异的进化学意义,最后强调了在感知觉研究中把性别作为一个实验变量的的重要性,并对后续的性别差异研究提出了一些具体的建议.     

高速LED背光速视器揭示拓扑性质的快速加工

灵长类视觉系统能够非常有效地从环境中提取稳定的不变性特征,而不受各种变换与干扰的影响.这种不变性知觉的时间与动态过程为视觉理论提供了重要的约束.我们开发了一种高速发光二极管(LED)背光速视器,能够短暂呈现1 ms的视觉刺激,并以亚毫秒级精度调整刺激呈现时间.这使得我们可以通过控制视觉输入的可获取时间,估计感觉线索积累的心理物理曲线,从而研究在图形结构优势效应任务中,拓扑、射影、仿射和欧氏不变性的相对加工速度.实验结果表明拓扑不变性所需要的呈现时间最短,这与大范围首先理论的预测相一致.     

视觉皮层下通路与拓扑知觉

研究表明，视觉通路除了经典的视觉皮层通路外，还有一条“古老的”、快速的皮层下通路负责在有意识和无意识状态下快速处理与情绪相关的信息。皮层下视觉通路由上丘、枕核和杏仁核组成，而且不经过初级视觉皮层。我们前期研究表明，初级视觉皮层与拓扑知觉信息加工没有关系，而皮层下视觉通路负责处理视觉拓扑信息。基于这些发现，我们认为，在早期视觉中，大脑检测涉及生命攸关的信号，这些信号告诉大脑：环境中有物体出现或消失，使大脑进入警戒状态，这对物种的生存至关重要。因此，在早期视觉中，需要检测的要素只是物体的“出现”和“消失”，而不是“纹理”、“形状”等。“出现”和“消失”都是拓扑特征的变化。拓扑感知和皮层下视觉通路的存在可能是早期预警的神经基础。在灵长类动物中，视网膜外周区域主要由视杆细胞构成，该区域接收的视觉信息主要通过皮层下视觉通路进行处理；视网膜中心区域（即中央凹）主要由视锥细胞构成，视觉空间分辨率变得非常高，该区域视觉信息处理主要是由视觉皮层负责。研究表明，由视杆细胞构成的视网膜是个“古老”结构，在1亿多年前就出现了；而视锥细胞构成的视网膜类型较为“年轻”，在5 000万年前才出现。所以，我们的视网膜从“古老”结构演化到“年轻”结构至少用了5 000万年的时间，它是由一个古老结构和一个年轻结构共同组成的“嵌合体”。当我们讨论皮层下通路存在的意义时，我们也应该结合皮层通路的功能来统一考虑。     

拓扑差异物体的构型处理：一项脑电研究

根据陈霖的拓扑知觉理论,在视觉感知中,拓扑差异的检测要快于局部特征的检测.本研究组认为,这一现象可能是对有＂洞＂图形和无＂洞＂图形的感知差异所造成的.本文旨在检验这两类图形所存在的知觉差异究竟是什么.利用脑电（ERP）技术,测量＂洞＂和＂非洞＂图形所引起的视觉诱发电位（VEP）,探究＂洞＂和＂非洞＂的区别.两类图形引起的VEP区别体现在N170上,＂洞＂图形的反转使得N170的潜伏期显著变化,而＂非洞＂图形的反转不会引起N170潜伏期的变化.人脸与非人脸物体的反转引起的N170变化与本结果相似.本研究认为,对＂洞＂的感知更偏向于整体加工,而对于＂非洞＂则更偏向于特征加工.     

形状和空间位置知觉两条通路的功能磁共振研究

利用功能磁共振成像（ｆＭＲＩ） 技术,研究在处理形状知觉、位置知觉和特定形状图形的空间位置知觉的情况下,人类视皮层背侧（Ｄｏｒｓａｌ ｓｔｒｅａｍ） 和腹侧（Ｖｅｎｔｒａｌ ｓｔｒｅａｍ） 两条通路是怎样反应的。结果发现：形状知觉仅引起腹侧通路的兴奋;空间位置的知觉引起背侧通路的兴奋;特定形状的空间位置知觉引起腹侧通路和背侧通路的共同兴奋。这一结果丰富了对人类视觉皮层的两条通路在功能上定位的认识。     

精神分裂症视觉周边抑制异常及其神经机制

精神分裂症患者普遍存在视觉信息处理异常,这些视知觉功能紊乱涉及视通路的高级以及低级视区,表明在部分精神分裂症患者中,视觉系统早期或晚期的不同信息处理阶段均可能存在损伤.阐明这些感知觉信息处理紊乱的神经机制对理解精神分裂症神经病理生理学机制有重大意义.视觉周边抑制(surround suppression)是一种广泛存在的视觉现象,指在神经生理水平或视知觉水平上外周对中央视觉目标的抑制作用.精神分裂症的视觉周边抑制发生异常改变,然而其损伤状况并不完全一致,且其具体神经机制目前仍不清楚.本文以周边抑制为对象,从精神分裂症周边抑制改变状况及其神经机制两个层面简述了国内外精神分裂症视觉周边抑制的研究进展.未来研究方向需要系统全面地调查精神分裂症周边抑制损伤状况,综合脑科学研究技术共同探究精神分裂症患者周边抑制异常的具体神经环路.     

注意与非注意位置的知觉组织

研究注意如何影响基于相邻性组织和连接性(UC)的知觉单元的形成. 实验一在视野中心呈现排成一行的三个由相邻性或UC形成的字母, 要求被试识别刺激阵列中位于中间的字母,刺激与掩蔽之间的SOA在180 ms到500 ms之间变化. 实验发现在适中的SOA条件下, 对相邻性靶子的反应速度比对UC靶子的反应速度慢, 而在长SOA和短SOA条件下, 对两种靶子的反应速度没有差别. 与靶子不一致的侧翼字母使得对靶子的反应变慢, 这种侧翼一致性效应在侧翼刺激是由UC决定时比起侧翼刺激由相邻性决定时要大. 实验二研究空间线索提示对相邻性或UC靶子的分辨反应时的影响. 与刺激出现在线索提示的位置相比, UC刺激相对于相邻性刺激的优势在未被线索提示的位置更明显. 这些结果提示在刺激没有得到完全注意的情况下形成知觉单元时, UC具有相对于相邻性组织的优势; 注意对相邻性知觉组织有所助益.     

智能神经假体：心理与技术问题

近年来,微系统技术、神经计算和生物系统等高新技术的发展,为新型植入式智能神经假体装置的发展、生产和应用提供了巨大的可能。其中一项特别引人关注的进展就是智能视觉假体。虽然通过中枢视觉系统到知觉域的机制还未完全了解,但视觉假体是通过电刺激视觉通路的不同部位来产生有用的视觉感受。许多年前,哲学和心理物理学研究都强调视觉感受可能是由不同的原因所引起。为了研制视觉假体,我们使用两张映射图来描述中枢视觉系统的功能是如何实现的。我们提出一种具有自学习功能且包括几个阶段的视网膜编码器（retina encoder,RE）。视网膜模块的RE模拟视网膜的功能并假定其实现了模式P1从物理域到神经域的映射操作M1。与此相对应的,中枢视觉系统模块则实现另一个映射操作M2,即M1在神经域的输出信号被转换到知觉域而产生视觉感受P2。在设定的迭代和基于感受的学习过程中,一名拥有正常视力的被试参与实验来提供由P1而产生P2的感性的相似性估计作为学习算法的输入,该算法反过来调整RE的参数矢量使得P2足够接近P1。更具体的说,全部RE时空滤波器可以借助遗传算法与被试交互式的实现调节。另一种视网膜编码器RE^＊使用特殊的时空滤波器组、决策树算法以及仿真的微小眼动算法组合构成。这种新编码器可以显著提高调节的结果。近期RE的研究集中在试图增强RE本身基于P1模式预处理的特性、模式分割、时间模式表达的选择性调整以及刺激电极簇的选择性控制。随着神经假体技术研究的不断深入和成熟,将会有越来越多的人受益。     

What和Where:视觉背腹侧通路在汉字组块破解过程中连接的变化

组块破解是指将熟悉的知觉整体或对象分解为其组成部分,再以新的方式组成其他项目.以往对于组块破解的眼动和脑成像研究提示:组块破解具有视觉-空间信息加工的特点,包含"在哪里"和"是什么"两个基本的认知侧面,可能同时激活视觉的背侧(where)和腹侧(what)通路.本研究应用动态因果模型探讨不同难度的汉字组块破解任务对于视知觉信息加工中的背、腹侧通路的连接强度的影响.实验操纵了阻碍组块破解实现的两种不同因素——熟悉度和结构紧密性.其中,熟悉度变量通过真字和假字两个水平实现,而结构紧密程度变量则通过松散结构和紧密结构两个水平(如将"旧"拆解为"日",或将"四"拆解为"匹")体现.结果表明,熟悉度的增加使where通路的调控连接增强;空间结构紧密性的增加使得what通路和where通路的调控连接均增强;而上述两个因素的同时增强不但使what通路和where通路的调控连接增强,而且使what通路终端到where通路终端之间的调控连接也增强.     

动态歧义图知觉中的瞳孔反射和眼动扫视行为

歧义图的双稳态知觉是一种非常有趣的视觉现象,但对其机制还不十分清楚.采用"运动产生的结构"(structurefrom-motion)的歧义图和无歧义的对照图,我们研究了这一问题.被试者在报告对歧义图和无歧义图的知觉发生翻转时,其瞳孔都扩张,而且在翻转之后都达到峰值;与无歧义图条件下不同,在报告知觉翻转前,歧义图条件下的瞳孔要明显小于均值,而在瞳孔扩张达到峰值之后,瞳孔仍然明显大于均值.这些结果说明知觉翻转后的瞳孔扩张是一个表达被试知觉状态已改变的指标.而对歧义图和无歧义图刺激的瞳孔反射的差异,可能反映了由歧义图所产生知觉翻转的神经信号和知觉状态的内源性.另外,被试眼动扫视的方向会随着运动轴的变化呈现不同的扫视分布模式,但在歧义图与无歧义图之间分布模式是一致的,这不仅表明被试从歧义图中感知到了与无歧义图同样的信息,也表明瞳孔反射变化与双稳态知觉变化相关的结论具有可靠性.本文对歧义图双稳态知觉的视觉机制提供了新的认识.     

图形形状和空间位置知觉的ERP研究

研究图形表状和空间位置知觉任务与单纯图形形状知觉任务所诱发的ERP反应,探讨同时注意物体的两种不同特征是与仅注意其中一种特征时的ERP特性与差别。实验结果为：（1）行为数据显示,两种任务的正确率没有显著差别,但形状和空间位置知觉任务的反应时显著低于单纯形状知觉任务;（2）ERP数据显示,两种任务表现出非常相近的ERP波形特征;在大脑后部区域微弱的P1成分,非常显著的N1成分,显著的P2,N2,P3成分;在大脑前部额区显著的P2成分,并且,与单纯形状知觉任务相比,图形形状和空间位置知觉任务表现枕颞区N2波幅的显著减弱,P3潜伏期的显著缩短,额区的P2波幅的显微减弱;（3）脑电表图与分辨率断层成象（LORETA）显示,两种任务的特征波N1成分均来源于双侧的枕颞皮层,表明两种任务均涉及到与物体形状识别相关的视皮层腹侧通路,而差别波dN2成分来源于在侧枕颞区,暗示特征加工的差异主要发生在左侧枕颞区。     

视觉大细胞通路对汉字识别的影响

我们研究的目的是探查视觉大细胞系统在汉字识别中的作用.研究以24名大学生正常阅读者作为被试,通过调控汉字材料的空间频率和时间频率区分出大细胞通路敏感刺激和正常视觉刺激两种条件,并采用整体/部件字形判断任务来比较在不同视觉条件下,被试加工汉字整体和部件信息的过程,记录反应时和错误率.结果表明,在大细胞条件下,被试对整字信息的判断要显著快于对部件的判断,即出现整体优先效应.而在正常视觉条件下,整体和部件判断的反应时无显著差异.同时,在大细胞条件下,被试进行部件判断的错误率显著高于整体判断,在正常视觉条件下两者差异不显著.研究结果表明视觉大细胞通路促进了汉字整体信息的加工.     

视觉拥挤效应的神经机制

当出现在边缘视野的一个物体被周围其他物体包围时,视觉系统对它的识别会很困难,这种现象叫做视觉拥挤效应.研究拥挤效应既有利于理解人类进行客体识别的过程,也对治疗黄斑变性、弱视和阅读障碍等视觉病变有显著的临床意义.自拥挤效应被提出以来,对拥挤效应的特性、神经机制和影响因素等都做了深入地研究.本文将系统地综述拥挤效应的研究进展,包括其特性、现有的理论假设、计算模型、可能涉及的大脑区域以及近年来利用知觉学习消除拥挤效应的一些工作,最后对该领域的未来发展给出建议.尽管在这个领域已经获得了丰富的成果,但在许多问题上仍有争议,未来还需要更为巧妙的设计和精确的技术进一步解决这些问题.     

斑马鱼行为学实验在神经科学中的应用

斑马鱼作为新型模式动物的优势正在逐渐被人们所认识,其应用的领域也越来越宽广．斑马鱼在神经生物学中的应用,除了在发育方面比其他模式动物更具优势外,在行为学方面的应用也更加丰富．由于斑马鱼幼体在受精后前两天通体透明,眼睛大小占到大脑体积的二分之一以上,成鱼昼夜节律明显,对光反应强烈,因此斑马鱼在视觉领域应用的优势十分明显．斑马鱼的嗅觉、听觉器官都在体表可见,可以很容易地用行为学实验手段对嗅觉和听觉功能进行检测．斑马鱼习性好动,利用斑马鱼进行运动方面的行为学观察也非常便利．斑马鱼具有群聚习性,在社会生物学研究方面正得到越来越多的关注．斑马鱼行为学是一种比较简单而又有效地分析神经整合功能的方法,并形成了许多相关的实验模型．     

视觉学习与成人大脑的可塑性

我们对视觉特征和客体的分辨与识别能力会随着训练提高,这种现象被称为视知觉学习。对其神经机制的研究使我们更好地理解成人大脑可塑性。回顾了该研究领域的两大核心问题:(1)视知觉学习发生的皮层位置:学习发生在早期信息加工的视皮层,或是涉及决策等认知功能的高级额顶叶区域,抑或是视觉区域到高级认知区域的连接;(2)视知觉学习发生的形式:包括表征增强、表征锐化、易化等多种机制。最后,讨论了神经干预手段在知觉学习领域的应用,并展望该领域未来的研究方向。