综述: 初级视皮层的亮度信息加工

亮度(luminance)是最基本的视觉信息.与其他视觉特征相比,由于视神经元对亮度刺激的反应较弱,并且许多神经元对均匀亮度无反应,对亮度信息编码的神经机制知之甚少.初级视皮层部分神经元对亮度的反应要慢于对比度反应,被认为是由边界对比度诱导的亮度知觉(brightness)的神经基础.我们的研究表明,初级视皮层许多神经元的亮度反应要快于对比度反应,并且这些神经元偏好低的空间频率、高的时间频率和高的运动速度,提示皮层下具有低空间频率和高运动速度通路的信息输入对产生初级视皮层神经元的亮度反应有贡献.已经知道初级视皮层神经元对空间频率反应的时间过程是从低空间频率到高空间频率,我们发现的早期亮度反应是对极低空间频率的反应,与这一时间过程是一致的,是这一从粗到细的视觉信息加工过程的第一步,揭示了处理最早的粗的视觉信息的神经基础.另外,初级视皮层含有偏好亮度下降和高运动速度的神经元,这群神经元的活动有助于在光照差的环境中检测高速运动的低亮度物体.     

初级视皮层神经元非经典感受野研究的新进展

感觉皮层神经元的非经典感受野(简称"外周")对经典感受野(简称"中心")的调节作用广泛存在于哺乳动物中,被认为是感觉皮层神经元的基本特性.以初级视皮层神经元为例,刺激其外周能有效地调节刺激其中心引起的反应,这种作用主要是抑制性的.理解初级视皮层神经元的外周对中心的调节机制能够深入揭示哺乳动物的感觉皮层神经元信息处理的基本原则.本文综述了引起初级视皮层神经元非经典感受野对经典感受野调节作用的神经环路机制和计算模型研究的进展.     

初级视皮层神经元对瞬态刺激响应的时间性质

初级视皮层神经元对周期性运动光栅刺激具有周期性持续响应,而对没有周期性变化的静止恒定刺激的响应主要集中在刺激呈现的初期,为瞬时性响应.我们研究了在5～50 ms短时长静止刺激下神经元的响应性质,对响应时程的分析表明,猫初级视皮层神经元对瞬态刺激的响应曲线呈波峰形式.随着刺激的出现,在经过一段延迟后,响应幅度上升,出现一个或多个响应峰,随刺激的消失,响应幅度下降.神经元表现出随刺激时长的增长,响应峰主峰(第一个峰)的峰值时间和峰宽都有增加的趋势,但峰值时间在30～50 ms趋于饱和,除5 ms刺激时长诱发的峰高明显降低以外,其他刺激时长诱发的峰高较恒定.刺激消失变为灰屏时,神经元会产生撤反应峰(刺激后发放,offset responses),其强度由前面的刺激时长决定.最小响应时长约为39 ms,主峰与撤峰的最小时间差为36 ms,二者十分相近,提示了视初级视皮层神经元的基本响应时间约为35～40 ms.这可能是"视觉暂留"现象在初级视皮层水平的生理基础.     

纹外皮层PMLS区反馈投射对初级视皮层神经元反应特性的影响

神经系统中存在大量下行投射,与上行输入一起形成复杂的前馈与反馈回路,调控神经信号的传导和处理,但目前对皮层内反馈投射的功能作用认识还比较薄弱.通过微量注射抑制性神经递质γ-氨基丁酸(γ-aminobutyric acid,GABA),使猫纹外皮层后内侧外上雪氏区(area posteromedial lateral suprasylvian,PMLS)局部可逆性失活,使用胞外记录方法,研究初级视皮层17区神经元反应特性的变化.实验结果显示,PMLS区失活后,17区细胞对运动刺激的反应总体减弱,反应的相对稳定性基本不变,最高发放率/自发之比有所下降.与此同时,细胞的方向选择性指数减小,朝向选择性无显著变化.除少数"双向"反应细胞外,绝大部分细胞的最优方向基本不变.进一步分析发现,细胞对各个方向刺激的反应普遍下降,最优方向上的下降程度最大,是导致方向选择性减弱的主要原因.这些结果表明,PMLS区反馈投射可增强初级视皮层的方向选择性,而对朝向选择性影响有限.这一作用特点体现了PMLS区在皮层中偏重处理运动视觉信息的功能.     

初级视皮层神经元集群对拓扑特征响应的可视化表征

神经元集群响应的高维特性是脑机制研究面临的主要困难之一.拓扑特征是图像的基本特征之一,为了有效表征高维的神经元集群响应的拓扑特征特性,提出了一种基于三维自组织映射网络采用RGB颜色特征表征神经元集群响应的动态可视化方法,分析多通道微电极阵列采集的大鼠初级视觉皮层(V1区)神经元集群信号,进而研究了V1区神经元集群对图形拓扑特征的响应特性.通过与主成分分析(PCA)方法进行对比发现:该方法能够有效表征V1区神经元集群对拓扑结构的时序动态响应特征,表征方式形象直观,具有一定的优越性.     

猫初级视皮层神经元不依赖于图形取向的方向调谐

设计并利用运动“随机”线条图研究了猫初级视皮层(V1)共91个细胞的方向调谐特性.结果表明, V1区神经元的方向选择性除了存在基于图形成分取向的机制以外,还存在不基于取向因素的机制.当刺激图形中的取向或非取向因素增强时,神经元的方向调谐也会相应转变.     

初级视皮层神经元响应反应与撤反应的朝向选择性

朝向选择性是初级视皮层(17区或V1)神经元的基本性质,在图形感知中起着关键作用.同时这些神经元对于持续时间大于100 ms的视觉刺激具有清晰的响应反应(Onset responses)和撤反应(Offset responses).以往的研究只关注响应反应的朝向选择性,而忽视了对撤反应的朝向选择性研究.我们比较了响应与撤反应的朝向调谐性质,大多数细胞的撤反应与响应反应基本上具有相似的最优朝向,而撤反应的朝向调谐宽度有窄于响应反应的趋势,撤反应的最优延迟普遍滞后于响应反应的最优延迟.撤反应的朝向选择性略强于响应反应和具有显著长的反应延迟提示,皮层内的反馈输入可能在形成撤反应的朝向选择性中起着作用.本研究揭示了撤反应的朝向选择性在刺激朝向的连续表征和主体在形状知觉的后期对朝向的精细区分中起着作用.     

视觉刺激对猴初级视皮层神经元眼球位置效应的影响

用细胞外记录的方法,研究了视觉刺激对清醒猴初级视皮层神经元眼球位置效应的影响,当猴注视电视屏幕上２５个不同位置的小光点时,屏蔽上分别给予两种不同形式的视觉刺激：注视点周围的闪光圆环和感受野内的移动光条。这两种刺激都能增强初级视皮层神经元的眼球位置相关活动,并相应地使受眼球位置调制的神经元的比例明显增加。     

脑光学成像技术揭示的猫初级视皮层方位倾斜效应

方位倾斜效应（ｏｂｌｉｑｕｅ ｅｆｆｅｃｔ）是人类普遍存在的视觉心理效应。为了检测其神经基础,我们采用脑光学成像方法,对猫初级视觉皮层较大范围内的水平－垂直方位光栅刺激敏感区和倾斜方位光栅刺激敏感区的大小及其反应强度进行了定量分析。结果表明：水平－垂直敏感区比倾斜角敏感区面积大,平均差异为４．７％;水平－垂直方位刺激引起的反应强度整体上比倾斜角方位刺激大。以上结果澄清了以往一些电生理研究结果的不同     

前扣带皮层与痛觉信息加工

前扣带皮层是边缘系统的一个重要组成部分,与皮层及皮层下结构的许多核团存在广泛的纤维联系,参与多种功能的调节。近来的电生理学、功能成像及行为学的研究表明,前扣带皮层与疼痛,特别是疼痛的情绪反应关系密切。本文综述了该领域的最新进展。     

用脑光学成像精确测定猫初级视皮层视野拓扑投射关系

利用基于脑内源信号的光学成像和二维互相关分析的方法,对猫初级视皮层17区的视野拓扑离心度(即视网膜-皮层拓扑关系)进行了精确测量。当采用在同一屏幕内处于上下视野的、方位互相垂直的两个相邻光栅刺激时,皮层中一部分区域的绝大部分细胞因同时兴奋而导致方位功能图模糊不清。将这种方位功能图和用单一方位(水平或垂直)全屏光栅刺激所得到的功能图进行比较,通过计算每一像素的互相关系数,从而获得皮层的精确视野拓扑离心度。同时用电生理的方法测量了同一视皮层内的单细胞的感受野位置,证明这种方法得到的视野离心度和光学记录方法得到的相同。因此,本研究为大面积地确定视皮层细胞感受野在视野中的位置提供了一种快速和较准确的方法。     

初级运动皮层与帕金森病

初级运动皮层(primary motor cortex,M1),在精细运动执行中起非常重要的作用,同时在皮质-基底神经节-丘脑-皮质神经通路中也发挥重要的作用.本文结合当前研究进展,围绕M1区神经元构筑、突触投射及多巴胺受体分布及帕金森病(Parkinson's disease,PD)后神经元电生理学变化等方面阐述M1...     

猫初级视皮层内Glu／GABA表达比率的衰老性变化

最近的一些研究结果显示,视皮层内抑制性递质系统作用减弱可能是导致老年性视觉功能衰退的重要因素。是否皮层内兴含性递质系统办伴随衰老而发生改变并影响皮层内神经兴奋与抑制的平衡尚不清楚。为此,利用Nissl染色和免疫组织化学染色方法以及Image—Pro Express图像分析软件对青、老年猫初级视皮层（17区）内各层神经元密度、兴奋性递质谷氦酸免疫反应阳性（Glu—immunoreactive,Glu—IR）神经元密度以及抑制性递质γ-氨基丁酸免疫反应阳性（v．aminobutyric acid-immunoreactive,GABA—IR）神绎元密度进行了统计分析。结果显示,青、老年猫初级视皮层各层神经元密度均没有明显的年龄性差异（P〉0．05）;与青年猫相比,老年猫初级视皮层Glu—IR、GABA．IR神经元密度均显著减少（P〈0．01）,而Glu—IR／GABA-IR神经元密度比率却显著增大（P〈0．01）。结果提示,老年猫初级视皮层内兴奋性递质系统作用相对增强,而抑制性递质系统的作用相对减弱,导致皮层内兴奋-抑制平衡关系失调,这可能是引起老年个体视觉功能衰退的重要原因之一。     

大鼠丘脑侧后核到初级视皮层突触传递的短时程可塑性

大鼠丘脑侧后核(lateral posterior thalamic nucleus,LP nucleus)到初级视皮层的突触连接是膝体外视觉通路的重要组成部分.运用场电位记录和电泳的方法在位研究了该视觉回路突触传递的短时程可塑性.结果表明,无论是运用双脉冲刺激还是串刺激都能观察到明显的短时程抑制特性.电泳荷包牡丹碱(bicuculline)和2-hydroxy-saclofen使该抑制作用减弱,电泳钙离子使抑制加强,电泳APV对抑制作用没有明显影响.所以突触前递质释放水平的改变,和γ-氨基丁酸(GABA)能受体（尤其是GABA_B受体）的活动都会影响该回路突触传递的短时程可塑性,而N-甲基-D-天冬氨酸(NMDA)受体则几乎没有作用.该回路很强的短时程抑制特性可能与LP核在视觉注意中的作用有关.     

猫初级视皮层内GIu/GABA表达比率的衰老性变化

最近的一些研究结果显示,视皮层内抑制性递质系统作用减弱可能是导致老年性视觉功能衰退的重要因素.是否皮层内兴奋性递质系统亦伴随衰老而发牛改变并影响皮层内神经兴奋与抑制的平衡尚不清楚.为此,利用Nissl染色和免疫组织化学染色方法以及Image-Pro Express图像分析软件对青、老年猫初级视皮层(17区)内各层神经元密度、兴奋性递质谷氨酸免疫反应阳性(Glu-immunoreactive,Glu-IR)神经元密度以及抑制性递质γ-氨基丁酸免疫反应阳性(γ-aminobutyric acid.immunoreactive,GABA-IR)神经元密度进行了统汁分析.结果显示,青、老年猫初级视皮层各层神经元密度均没有明显的年龄性差异(P>0.05);与青年猫相比,老年猫初级视皮层Glu-IR、GABA-IR神经元密度均显著减少(P<0.01),而Glu.IR/GABA.IR神经元密度比率去却显著增大(P<0.01).结果提示,老年猫初级视皮层内兴奋性递质系统作用相对增强,而抑制性递质系统的作用相对减弱,导致皮层内兴奋-抑制平衡关系失调,这可能是引起老年个体视觉功能衰退的重要原因之一.     

胼胝体在初级视觉信息加工中的应用

在综述初级视区胼胝体功能研究的基础上,提出了视网膜双侧投射带的中枢拓扑联系模型,它不但符合一系列生理学和形态学实验的结果,而且解释了胼胝体存在的必要性：它传送的信号补偿了由于存在视网膜双侧投射带而在每侧皮层上所造成的信息损失。     

胼胝体在初级视觉信息加工中的作用

在综述初级视区胼胝体功能研究的基础上,提出了视网膜双侧投射带的中枢拓扑联系模型,它不但符合一系列生理学和形态学实验的结果,而且解释了胼胝体存在的必要性：它传送的信号补偿了由于存在视网膜双侧投射带而在每侧皮层上所造成的信息损失.     

S100蛋白在猫初级视皮层中分布及其年龄相关性变化

比较青年猫和老年猫初级视皮层(primary visual cortex)各层神经元密度,及S100蛋白在初级视皮层各层中的表达与分布,探讨其表达与分布的年龄相关性变化及意义.Nissl法显示初级视皮层各层神经元,免疫组织化学方法(SABC法)示S100蛋白免疫阳性(S100-IR)细胞.光镜下观察、拍照,计数初级视皮层各层中神经元密度和S100-IR细胞密度.S100-IR细胞在初级视皮层中分布呈现区域性特点,白质较灰质密集.与青年猫相比,老年猫初级视皮层神经元密度有下降,老年猫初级视皮层各层S100-IR细胞密度均有不同程度的显著增加(尤其是Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ层),胞体较大,阳性较强.动物衰老过程中,初级视皮层存在着明显的星形胶质细胞反应性增生,这种增生可能对灰质层中神经元的丢失有补偿作用,并对维持老年个体初级视皮层形态结构和延缓老年动物初级视皮层功能衰退具有积极意义.     

猴和猫初级视皮层细胞方向选择性及其功能组织的比较研究

虽然许多视皮层区内的方向选择性细胞以柱状方式排列组构, 但猴初级视皮层(V1)区方向选择性功能组构仍然不甚明了. 定量地比较研究了猴和猫初级视皮层方向选择性细胞的比例、选择性强度和功能组织, 结果表明, 猴的方向选择性细胞的比例比猫少, 选择性强度和方向功能组织的程度均显著地比猫弱, 提示这些种属差别可能源于其神经通路的不同.     

基于初级视觉皮层的图像匹配模型

提出一种基于初级视觉皮层的图像匹配模型。该模型只采用方位选择性细胞和皮层内有限范围水平连接等Ｖ１基本单元,它以链码表示的目标轮廓作为知识,允许该知识以时间脉冲的形式控制Ｖ１区内神经细胞的动态活动,使与知识轮廓形状相符合的轮廓内的细胞,逐步进入并维持在兴奋状态,最终实现对视野中特定目标轮廓的提取