视觉注意与神经振荡

人脑每时每刻都要接收大量视觉信息，由于人脑加工信息的能力有限，所以在较大视野内将注意分配给相关信息，同时抑制引起注意分散的不相关信息，对执行目标导向的行为至关重要。这种对视觉信息的选择性和主动性加工以适应当前目标的过程被称作视觉注意（visual attention），且视觉注意可分为自上而下的注意与自下而上的注意两种不同功能。由于来自大脑电信号的神经振荡活动在认知加工中发挥重要作用，已有研究综述了视觉注意与神经振荡（neural oscillation）的密切关系，但并未涉及不同的注意功能与神经振荡的关系。本文系统性调查了不同注意功能与神经振荡的关系，发现额-顶区域的theta频带振荡活动反映了自上而下的认知控制，而后部脑区的theta振荡与自下而上的注意相关。顶-枕区域alpha振荡的偏侧化有助于注意分配，而alpha频带的大规模同步促成了注意对视皮层自上而下的影响。Beta振荡介导了自上而下的信息与自下而上的信息之间的互动，作为信息载体促进了视觉信息处理。Gamma振荡则可能与自上而下和自下而上的注意间整合相关。本文就视觉注意功能与神经振荡关系的研究现状展开综述，旨在揭示不同的神经振荡活动在特定的视觉注意功能中的作用。     

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.     

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.     

多重视觉表征:从视网膜坐标到空间坐标

视觉系统基于映射到视网膜上的像来获取外部世界的信息,因此,视觉信息首先在视网膜坐标系中进行编码和表征。然而,大量的研究显示,眼睛的注视方向对视觉皮层神经元的活动强度具有广泛的调节作用,这一机制能够实现基于视网膜以外参考坐标的视觉加工过程。近些年的研究发现,视觉信息能在多种不同的参考坐标下进行表征,这些机制在稳定的视觉表征、多感觉模态整合与视觉运动信息转换中起到重要作用。     

时间结构信息在人类知觉中的作用及其脑机制

外界信息包含了丰富的时间结构,提取这些时间结构信息对于人类适应动态变化的环境具有重要的意义。然而,纵观认知科学领域,目前尚缺乏对这一问题的系统探讨。本文总结了时间结构信息的类型及特性,综述了视觉和听觉过程中,不同类型的时间结构信息广泛参与并调节认知活动的行为证据,及产生这些现象的神经基础。据此,本文提出对时间结构信息的提取和利用是人类认知的基本特点。来自不同通道、源于不同规律的时间结构信息不但可以通过调制神经振荡及诱发预期编码等机制在大脑中得到表达,还可以在此基础上有效调节知觉、注意甚至无意识信息加工等过程。同时,不同的时间结构信息也可能通过各自特异性的加工机制对认知产生影响。上述观点为理解大脑如何利用多样性的时间结构信息优化动态信息处理提供了理论基础,也激发研究者对这些现象背后的脑机制展开更加深入的探索。     

Gamma神经振荡产生机制及其功能研究进展

Gamma神经振荡的频率在30～100 Hz之间,存在于动物和人类大脑的多个区域,如丘脑、体感皮层以及海马等部位,在各个尺度水平上都可被检测到.抑制性中间神经元组成的神经网络是产生此高频节律性活动的主要条件之一.皮层的gamma神经振荡与丘脑-皮层系统有关.Gamma神经振荡具有易化突触可塑性和调节神经网络的作用,主要参与感觉特征绑定、选择性注意以及记忆等高级功能.     

昆虫视觉系统平行加工通道研究

许多飞行的昆虫能够借助它们的视觉发现、跟踪、识别、捕获对它们有意义的目标,有些昆虫例如蜜蜂、蝴蝶、蜻蜓等与高等的动物一样,它们也具有空间视觉、运动视觉和颜色视觉,这些视觉信息是如何进行加工的,其加工通道之间的相互关系如何,阐明这些问题对解释视知觉的形成是很重要的.由于昆虫神经系统比人和哺乳动物神经系统简单得多,其神经元的数量亦少得多,因此我们选择了以昆虫的视觉系统为模型系统对此问题进行研究.本文把1986年以来我们对此问题开展行为分析和神经生理学研究所取得的结果以及与此有关的工作综述如下.     

视觉选择性注意的神经机制

大脑信息加工容量的有限性使得个体每时每刻均只能选择少部分信息输入进行有效加工,这主要源于注意选择,即选择性注意。选择性注意是指个体对复杂外部环境中的少量信息进行优先加工的认知过程。关于选择性注意的研究存在两个核心问题:一是注意选择的是什么?根据注意选择的目标或对象,选择性注意可分为基于空间、特征和客体的注意。二是注意选择如何产生?根据注意选择产生的方向,选择性注意可分为自上而下和自下而上注意。本文围绕上述两个核心问题,系统地探讨视觉选择性注意的神经机制。     

视觉信息加工

人和动物的脑是世界上最复杂、最有效的信息加工系统。研究感觉信息的接收、传递、加工辨识和利用,是揭示脑奥妙的突破口,对研究人脑高级神经活动有重要科学意义。现已查明,几乎人脑的各个部分都与视觉反应有关。视觉是个极其复杂的多级过程,外界物理光能在眼睛视网膜内转变成神经电化学能,经过神经编码和初步加工,视觉信息被传递到脑     

自涌动态神经元集群-脑的时空编码新概念

概述了关于脑的时空编码概念的演化,涉及到下面一些问题：１）皮层神经元是以放电速率还是以放电定时编码信息;２）Ｂａｒｌｏｗ的“祖母细胞”和Ｈｅｂｂ经典细胞集群面临的挑战;３）Ｍａｌｓｂｕｒｇ的脑功能的相关理论和神经活动的同步振荡;４）Ｈｏｐｆｉｅｌｄ的神经编码原理和自涌动态神经元集群新概念;５）Ｔｈｅｔａ节律,ｇａｍｍａ振荡和２００Ｈｚ锁相振荡与脑的“时间编码空间”;最后,给出了一些讨论。     

视觉轮廓整合的神经机制

视觉轮廓整合是指视觉系统将视野中的离散元素组合为整体轮廓线的加工过程,是连接初级感觉加工和高级视觉物体知觉间的关键桥梁。对视觉轮廓整合神经机制的研究不仅能促进我们对人类知觉整合的理解,也有助于启发计算科学领域图形整合和分隔算法的改进。然而,轮廓整合的神经机制尚无最终定论。当前的争议主要集中在轮廓整合是基于初级视皮层固有水平连接的产物,还是基于脑区内水平连接及脑区间反馈连接共同作用的产物。本文在回顾这两种理论框架及其研究证据的基础上,对未来的研究问题和方向进行了展望。     

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。     

成体新生神经元参与位置信息的编码和空间记忆

近年来成体神经干细胞的研究最终引导人们发现,成熟哺乳动物大脑中一些区域存在着可以终生分裂增生的神经元,打破了人们一直以来持有的成熟的神经元不能分裂,成熟哺乳动物脑细胞数量只会减少不会增加的观念。尽管人们已经观察到新生神经元逐渐整合到神经回路的过程,终生分裂的这些特殊神经元在功能上跟固有的神经元是否存在着差异的问题却始终没有得到明确的解答。有人猜测成年动物海马齿状回中的新生神经元可能参与“位置”有关的信息编码,最近Dupret等的实验结果为这种观点提供了强有力的证据。     

视觉中枢神经元回路的研究

有关神经元回路的研究是神经生理学的基本课题之一,它主要研究脑内神经元之间机能和形态的联系,以揭示脑活动的基本规律。视觉中枢特别是猫外膝体内的神经元回路研究近年来发展甚快。现已发现,视觉系统的神经元回路与脊髓前角的回路非常相似,因此它对脑内其它系统的研究有参考价值。现知猫外膝体内有两个双突触的抑制回路,二者间有相互作用,它们还受视觉皮层和脑干网状结构的控制,从而使视觉信息在外膝体内受到进一步的加工处理。     

视觉注意的时间结构和动态神经机制

把有限的心理和神经资源选择性地根据当前环境或任务来分配给某些而不是所有过程,是通过注意来完成的。以往的大部分有关视觉注意的研究都集中在注意是如何在空间维度和特征维度进行分配的问题上,而近来的一系列研究则从时间动态这个角度揭示了视觉注意中的一些新现象和新机制。本文将从以下四个方面综述时间这个基本维度在视觉注意中的表现、作用及其神经机制:(1)注意对外部刺激动态结构的追踪(注意动态理论),(2)注意的内秉动态特性,(3)基于时间组织的多物体加工,(4)视觉动态和经典注意现象的相互关系。我们认为,注意的时间组织和动态结构是注意中非常重要和基本的方面,对其的研究将为注意理论的一些长久以来的争论和难点提供新的角度和解决方案。本文进一步提出了视觉注意研究领域亟待探索和研究的新方向和问题。     

大鼠前庭核团中与线性运动相关的神经发育状况(英文)

中枢前庭系统拥有处理从内耳传入外周感觉信息的能力,这令动物能够在三维空间中感知头部朝向,并同时能调节运动姿势。在发育中,前庭核团神经元的电生理特性发生很大的改变;膜的兴奋性程度随着年龄而增长,这一特性是与这些神经元逐渐增加发放频率以及加强放电模式规律性同步发生的。前庭核团神经元对感知水平和垂直线性运动的编码能力在发育过程中也做了非常大的完善。这些发育中的前庭核团神经元表面受体,比如谷氨酸受体,亦会随着动物成熟过程做出表达调整,用以调控突触传递可塑性的效率,进而影响这些神经元在神经回路中处理空间编码的能力。总而言之,前庭核团神经元的这些特征有助脑部于发育过程中建立三维空间坐标的能力。     

外侧丘系腹核在声信号加工和听觉上行传导中的作用

外侧丘系腹核(ventral nucleus of the lateral lemniscus,VNLL)是中枢听觉通路中连接耳蜗核等低位脑干和中脑下丘(inferior colliculus,IC)的重要核团,其神经元能够对声信号的不同参数进行检测与加工,进而形成多样的声反应特性。VNLL神经元对频率反应的调谐曲线有多种类型,但其锐化程度一般较低,对频率的分析亦不够精确;有关强度调谐的放电率函数分为两种类型:单调型与非单调型,它们对强度的加工和编码往往受到发放模式的影响;不同发放模式的VNLL神经元对时程的编码能力不同,其中起始型具有精确的时间特性,适合编码声刺激的起始时间信息,对蝙蝠的回声定位非常重要。VNLL接受来自低位核团的输入,并发出上行的抑制性投射至IC,在IC神经元的声信息检测过程中发挥重要作用。近来研究认为VNLL快速的抑制性投射延迟IC神经元的首次发放潜伏期,VNLL延迟的抑制性投射介导IC神经元的发放模式,但VNLL抑制性输入如何在IC进行整合,并增强IC神经元检测声信号能力的机制并不清楚,且缺乏VNLL对IC进行实时调控作用的直接证据。这些问题的研究有助于进一步认识上行输入在声信号加工过程中的作用,同时也是本实验室今后的研究重点。本文结合本实验室相关研究,围绕VNLL对听觉信号的加工和上行传导进行综述。     

神经元群简化模型的动态特性的研究

神经发放率的振荡和同步现象是视觉神经生理学的最新实验发现,也是Ｍａｌｓｂｕｒｇ等人关于物体感知的时间相关性神经群理论的重要假设。本文在神经元群简化模型动力学方程的基础上加以改进,研究了噪声对振荡的相关性和独立性的影响,取得与生物实验相似的结果;发现在具有时间结构的输入刺激下单个神经元群发放的锁频现象,进一步讨论了两个神经元群之间的同步现象及其机理。     

神经信息学的原理与展望

神经信息学是研究神经系统信息的载体形式,神经信息的产生、传输、加工、编码、存储与提取机理,以及建立神经数据库系统的科学。它是脑科学,信息科学和计算机科学相互交叉的边缘学科。神经信息学可分为分子神经信息学和系统神经信息学两个层次。神经信息编码可分为神经元脉冲序列的数字编码和突触联结权重编码两种编码方式。对21世纪神经信息学可能取得的新进展进行分析和预测,并论证开展人类神经组计划（HuNP）和建立神经数据库系统的必要性与可行性。对人类神经计划与人类脑计划的异同步,进行比较和讨论。     

神经耦合振荡的量子孤波分析

为了分析神经耦合振荡产生频率同步的原因,在神经信息波动方程孤立子解的基础上讨论了神经耦合振荡方程组的稳定解。分别从同地和异地耦合孤波的同相和反相四种情况给出了孤波之间距离随时间的变化规律。阐述了大脑视觉皮层神经元集群之间的耦合振荡在神经孤波模式下呈现出的波粒二象性,体现了知觉具有量子化的特点。因而神经振荡必将引发集体突发,形成脑波频率同步。