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。     

上丘-丘脑枕结节-杏仁核视觉皮层下通路及其生物学意义

上丘-丘脑枕结节-杏仁核通路是哺乳动物脑内的视觉皮层下通路之一。近来的研究提示这条通路和情绪相关的视觉信息处理有关。本综述提出这条通路可能更多地涉及到个体的警戒而不是简单的早期视觉信息处理,并且讨论了其生物学意义。在早期视觉过程中,大脑检测的不是"空间位置",也不是"是什么物体",而是警告大脑的信号:"有情况出现!",使大脑进入一种警戒状态。这种警戒状态对物种生存至关重要。因此,我们认为在视觉早期,对物体"出现"和"消失"的检测较之"质地"和"形状"等特征信息收集等更为重要。拓扑知觉和皮层下通路的存在可能就是机体视觉警戒的神经基础。"警戒"可能正是皮层下通路存在的生物学意义之一。     

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。     

自身运动感知中视觉-前庭整合的研究进展

日常生活中,机体利用自己的感官,以不同的感觉通路(视觉、听觉、味觉、嗅觉、触觉、前庭觉和本体觉等)获取环境中的信息以及自身相对于环境的信息,输入大脑进行加工处理,并作出反应。这些不同模态的感觉输入信息在大脑中存在跨模态(cross-modal,如视觉和听觉、听觉和嗅觉,甚至跨越三种或更多感觉模态信息)相互整合,从而对动物的感知、运动、学习记忆和决策等起着非常重要的作用。在过去的十几年里,多感觉整合研究领域吸引了一批学科交叉的科学研究人员,极大地推进了这一研究领域的发展。本文着重介绍自身运动感知过程中视觉和前庭信息整合机制的研究进展,分别从多感觉整合发生的脑区、神经元对多感觉信息的编码特性以及神经元活动与行为的关系三个方面进行综述,并对未来的研究方向进行展望。     

内容和运动方向感知计算模型

对视野中的物体及运动方向进行感知是视觉感知的基本问题之一,较高级视皮层从V1区的简单细胞开始分为两个通路：“What通路”和“Where通路”．前者对物体的形状、颜色、纹理等内容感知,后者对空间运动速度和方向等感知．本文利用仿脑视觉信息处理计算结构,研究视觉内容和运动方向上的感知计算模型、计算机理和学习算法．该计算模型是一个三层的神经网络,第一层是视觉信号输入层,用于接收外界图像刺激．第二层是神经信息内部表象层,与第一层的网络联结是通过神经元稀疏表象原理自适应形成神经元的感受野．为此,引入Kullback_Leibler散度描述神经元响应的独立性,极小化该代价函数导出网络联结权值的学习算法．从自然图像块中学习得到图像基函数,这些基函数具有局部性、朝向性和带通滤波性．这些性质与生理实验结果中的V1区简单细胞感受野特征相吻合．将这些基函数作为神经元的感受野,并在第三层对较高级视皮层的内容感知和运动感知神经元进行建模．在理想刺激中加入一定量的噪声后,该模型对内容和运动方向的感知仍有较高的准确率和较好的鲁棒性．最后给出的实验仿真结果说明模型的可行性和学习算法的简单有效性．     

看东西有立体感是怎么一回事?

答:所说的立体感就是立体视觉,是人对三维空间各种物体远近、前后、高低、深浅和凹凸的感知能力,是人在进化发展历程中获得的一项特有的双眼高级视觉功能。人在用双眼看同一物体时,这一物体的影象就分别落在了两眼的视网膜上,形成基本相同的两个影象。由于左右两眼有一定的距离,这样物体的每一点在两眼视网膜上的投影的对应点就不完全相同,而是有一个微小的位置差移,这个差移称为视差。当眼睛将视差传到大脑,经加工后,大脑就可把两眼传入的两个平面影象合成一个完整的立体影象,即立体视觉。     

双眼视觉实验与原理

很多中小学生在生活中会产生这样一个问题:同一物体在我们两只眼中呈现2个物像,为什么我们感觉到的是1个物体而不是2个物体。这是一个双眼视觉的问题。简单地说,两眼同时看一物体时产生的视觉,即称之为双眼视觉。从生理学的角度来认识,“双眼视觉是一个外界物体的形象分别落在两眼视网膜的对应点上(主要是黄斑部),神经兴奋沿视觉知觉系统传入大脑,     

视觉假体的研究进展

视觉是人类认识世界的最重要途径之一。失明不但给患者带来巨大的痛苦和严重的生活障碍,还给家庭和社会带来沉重的负担。视觉假体是通过植入体内的微电极阵列直接刺激视觉通路上完好的部分,帮助盲人恢复部分视觉感知的电子设备。近年来视觉假体发展迅速,取得了从概念到临床应用的卓越成果。本文介绍了视觉假体的发展历程,根据刺激电极在视觉通路上的植入部位对视觉假体进行了分类说明,并对视觉假体近年来临床试验的结果及目前能实现的功能进行了总结。     

默克尔细胞的发育研究进展

默克尔细胞是一种感知机械力,参与识别物体外形和纹理的轻触觉感受器,位于皮肤表皮基底层和体内感知机械力的上皮组织中。作为感知机械力的感受器细胞,默克尔细胞在个体的生存中非常重要。多种信号通路以及微环境因子参与默克尔细胞的发育调控,但其发育机制仍然没有被完全研究清楚。该文对默克尔细胞的来源及其发育中涉及的相关信号通路等进行调研总结,概述现有默克尔细胞发育相关的调控机制。了解默克尔细胞的发育过程有助于优化其体外培养体系,从而为研究默克尔细胞提供更好的研究系统,这将对触觉异常相关疾病的发生机制及其治疗策略具有重要意义。     

一些心血管反射的延脑-脊髓通路

前文曾指出,延脑心血管中枢(包括加压和减压中枢)的下行通路主要位于脊髓腹侧索内。这一结果虽和林可胜等的看法不一致,但并未确定在腹侧索内是否有下行“加压”、“减压”通路(或纤维)的分化。另外我们还观察到,仅仅保留一侧腹侧索,刺激两侧迷走神经所引起的减压反射仍能很好地实现,暗示在此反射弧内确实发生了某种交叉。对此,我们采用局部脊髓毁损法及刺激法,进一步探讨了这类心血管反射弧的延脑—脊髓通路。     

蜜蜂复眼的视觉通路研究进展

视觉通路的研究在神经科学、 仿生应用和医学治疗上都具有十分重要的意义。西方蜜蜂Apis mellifera作为神经生物学研究的重要模式生物已被广泛地应用于视觉通路的研究。蜜蜂的视觉器官包括1对复眼和3只单眼, 复眼是形成视觉的主要感觉器官。视叶是蜜蜂传递和处理视觉信息的主要神经构造, 它包括视神经节层、 视髓质层、 视小叶和前视结节4个等级的神经纤维网。复杂的视觉信息在经过大脑的各级神经时被分离, 以许多空间隔离的并行连续的视觉通路传递和加工, 然后汇集到高级脑中枢, 部分甚至与其他感觉模态的信息相整合, 最终输出有效信息来调控蜜蜂的各种行为。本文按照信息在视叶中逐级传递的顺序对蜜蜂复眼的视觉通路研究进展进行综述。     

蛇类红外感知研究进展

红外辐射是自然界中广泛存在的一种能量形式,任何温度高于绝对零度的物体均会向其所在的环境释放辐射能。红外辐射中包含了大量人类无法感知的信息,蝮蛇是迄今所知的能够有效感知并利用红外信息的动物类群之一。蝮亚科蛇类的红外感知的器官是位于蛇眼和吻端之间面颊部的窝状器官——颊窝,以及其后的神经系统。从蛇类红外感知的解剖基础、行为学研究、生物化学研究等方面论述了蛇类红外感知的机理及其研究进展,并通过部分感官屏蔽的实验证明红外与可见光2种成像功能具有一定的互补作用——即当蝮蛇双眼看不到或颊窝被阻塞的时候,另一种感知系统也能有效地完成对目标的识别和定位。通过各自的传导通路,红外信息和视觉信息被汇集于中脑视顶盖区域。在这一区域有对2种信息分别响应的神经元和响应复合信号的细胞——双模神经元。蝮蛇红外觉与视觉间具有补偿、加成和抑制3种相互作用。这样的相互作用,有利于蝮蛇在复杂多变的自然条件下,消减捕食过程中存在的种种干扰,最大程度地提高对猎物的识别和定位成功率。     

运动观察与运动想象的皮层节律活动与神经生理机制

研究证实,运动观察与运动想象对大脑的激活有利于中风后的运动功能再学习,可用于探索人类行为过程中大脑的神经机制.为对比分析运动观察和运动想象时皮层神经元的活动特征,选取10名健康被试,采集每名被试在运动观察和运动想象时特定手部抓握动作模式下的脑电信号(EEG);引入Gabor滤波器对感觉运动区和视觉区的EEG进行时频能量谱估计,并在此基础上对EEG进行事件相关去同步/同步化(ERD/ERS)分析;最后建立ERDI(ERD index)指标对左手和右手进行模式分类并量化比较运动观察与运动想象.研究结果表明,运动观察与运动想象类似,均激活大脑感觉运动皮层,并且运动想象产生对侧主导的α和βERD;基于ERDI指标的运动想象左右手识别正确率高于运动观察分类正确率;此外,运动观察过程还同时伴随视觉皮层活动,使β节律能量产生显著衰减.本研究为运动观察和运动想象在临床康复训练以及脑机接口领域的应用提供了神经生理基础和实现途径.     

动物地磁导航机制研究进展

地磁场是地球重要的物理场,它不仅能保护地球生物免受太阳风及其他宇宙射线的伤害,阻挡地球生命赖以生存的大气圈和水圈被剥蚀,为地球生物提供一个温和的生存进化环境,而且其强度、偏角和倾角能为动物迁徙提供定位导航参考。目前,行为学研究已经发现许多鸟类、爬行类、两栖类、哺乳类等动物都能够利用地磁场导航。动物感知地磁场的磁感受器(magnetoreceptor)、磁信息的感知机制和信号传递通路一直是动物地磁导航研究的焦点和难点,但目前对它们的了解并不十分清楚。基于国内外学者最近的研究成果,本文首先介绍三种主要的磁感知机制及其相应的证据:电磁感应、基于光受体的磁感知及基于磁铁矿纳米颗粒的磁感知。其次,总结鸟类基于光受体和磁铁矿纳米颗粒的磁感知神经通路和相应的磁信息响应脑区:(1)眼睛视网膜上光依赖的磁感受器——隐花色素通过视觉通路与大脑联系获取准确方向信息;(2)上喙或内耳中的磁铁矿纳米颗粒磁感受器,通过三叉神经或内耳听壶传入神经将感知的磁场强度信息传至脑干前庭区域,获得"导航图"信息。最后,简要总结近年来哺乳动物地磁导航的研究进展,并指出动物地磁导航研究当前亟待解决的几个重要科学问题。     

多感觉整合的研究进展

环境中的不同信息通过不同的感觉模态如视觉、听觉、躯体觉的通路传递到动物的大脑皮层,已有研究表明这些传入的相关信息之间存在跨模态的相互整合,这种多感觉整合效应对于动物的感知、学习和记忆都具有非常重要的作用。本文主要对听觉-视觉、听觉-躯体感觉多感觉整合的研究进展进行综述,分析可能的整合机制并对未来的研究方向进行展望。     

科学家揭示大脑学习和识别物体的秘密

在9月10日出版的《科学》杂志上,美国科学家称他们发现了大脑如何学习和识别物体的秘密。人们从来不会看到2次同样的画面但一只狗无论是跑着、躺着摆尾巴还是乞讨食物人们都能认出它。大脑是如何识别物体和脸的呢,科学家认为人们通过收集同一个物体在短时间内许多不同的快照做到了这一点。     

暗示性运动加工的认知神经机制

暗示性运动是指个体观看静止图片时从中知觉到的运动.研究者采用高低认知水平两类暗示性运动刺激材料,借助"冻结帧"、直接观看、运动后效和f MRI适应等任务范式,探讨了注意和意识在暗示性运动加工中的作用及其记忆特点;并借助脑成像等技术,考察了颞中区、颞上皮层区、颞上沟、镜像神经元系统等脑区在暗示性运动加工中的作用.但由于暗示性运动加工涉及"视觉腹侧通路与背侧通路功能的分离与整合"问题,目前对相关研究结果和解释还存在争议,暗示性运动加工的认知神经机制仍有待于进一步研究.     

视知觉学习对于识别动态随机点立体图深度运动方向的作用

立体视觉不仅指对静态深度信息的感知,也包括对物体在三维空间中的运动方向的判断。本研究记录了人眼对于动态随机点图运动方向的辨别能力以及视觉训练在提高对动态信息分辨能力的作用。实验结果表明,对于没有任何相关经验的视力正常的受试者,很难分辨出动态随机点的深度运动方向,而视觉训练可以大大提高人眼对物体深度运动方向判断的敏感度。此外,这种视觉训练所达到的效果具有较长时间的持续性（至少6个月）。这种通过视觉训练提高受试者对立体运动信息的敏感度的方式为立体视觉相关的实验和研究提供了新的视角。     

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.     

音乐训练影响儿童语音意识的认知神经机制

音乐是一种听觉艺术形式,在儿童教育和发展中,尤其是语言能力发展中扮演着重要角色。语音意识是个体感知识别、分析和运用语音的能力,是预测儿童语言读写能力的重要指标。本文梳理了近十年来音乐训练影响儿童语音意识的研究证据,并讨论了音乐训练可能促进语音意识的神经基础和解释模型。大量研究表明,音乐训练可以在行为水平提高儿童在语音意识测量任务上的成绩。此外,音乐训练从两方面影响语音加工的神经基础：一方面通过影响皮层下基本听觉神经通路与大脑听觉皮层,促进儿童前注意水平的语音感知能力;另一方面通过影响语音加工大脑区域间的功能连接,促进语音编码,强化语音加工的听觉-运动整合功能。相关神经机制为音乐训练促进儿童的语音意识提供了生物学基础。基于已有研究,本文提出综合的层级模型对音乐训练影响儿童语音意识的认知神经机制进行系统的解释,该模型认为音乐训练影响语音意识的认知神经机制分为3个层级：第一层级,音乐训练通过影响基本听觉神经通路促进了语音的基本听觉加工,其中节奏训练促进对语音时长信息的感知,音高训练促进对语音频率信息的感知;第二层级,音乐训练通过影响语音加工的神经网络,进一步促进语音编码,其中节奏训练主要促进...