中科院神经所获突破性研究成果,揭示精细视觉编码新机制
解放日报 · 2018/04/11
国际神经科学顶级期刊《神经元》日前在线发表了中科院神经科学研究所、脑科学与智能技术卓越创新中心王伟研究组的最新突破性研究成果。研究发现,编码局部精细视觉信息的神经元不仅存在于大脑初级视觉皮层,而且聚集成群存在于中高级视觉皮层。该研究不仅帮助我们认识和理解灵长类大脑的工作原理,还将为神经计算、类脑人工神经网络模型和人工智能信息处理提供新的理论指导和依据。


图片来源:Pixabay

本文转载自“解放日报”。

较高级脑区存在神经元集群

眼睛是心灵的“窗户”,人类对外部信息的感知80%是通过视觉获得的。从视网膜出发,初级和次级视觉脑区(V1和V2)神经元具有较小的时空整合感受野,偏好编码局部和简单视觉信息,而从较高级视觉大脑(V4)开始,神经元普遍具有较大的感受野,从而逐级完成整体视觉感知和认知功能。

伴随着神经元感受野的逐级增大,已有文献和传统教科书观点认为各个视觉脑区的空间分辨率却逐级下降。那么问题来了——局部的细节是如何最后看清楚的?既然空间分辨率逐级下降,精细信息又是如何传递到高级视觉皮层从而进行物体识别和认知的?这是视觉科学研究中的重大基础科学问题,一直以来无人能够解答。

有一种假说认为,大脑要看清局部细节,高级视觉脑区就必须通过反馈神经连接,直接到初级视觉大脑抓取精细视觉信息。但令王伟研究组吃惊的是,他们发现在较高级脑区(V4)中,竟然存在神经元集群,高保真地保留了初级视觉大脑皮层编码的精细视觉信息,这意味着他们找到了之前不为人所知的第二种途径。“就像是在茫茫大海中看到了一个新大陆!”王伟研究员告诉记者。这一新发现不仅打破了初级视觉大脑严格的空间分辨率和视网膜离心度的负相关关系,而且揭示了V4在整体和局部的视觉编码中承上启下的关键作用:为更高级脑区神经元提供前馈输入,使其就近获得相关局部精细信息。

与此同时,王伟团队还发现编码局部视觉信息的神经元开始反应的时间(潜伏期)比编码整体视觉信息的低空间分辨神经元至少要长10毫秒,这说明在没有特定视觉任务时,视觉感知是从整体开始的。这也符合人类“先整体后细节”的视觉体验,比如当你漫步田野,视觉首先感知到的是田园整体的风景,然后才是水塘边的放牛娃。

背后是长达10年的不懈努力

这一改写教科书的新发现,背后是王伟团队长达10年的不懈努力。

2007年,王伟放弃英国的高薪工作,加入了中科院神经科学研究所。当时,所长蒲慕明正在筹建非人灵长类研究平台。王伟自己设计猴笼,走访了安徽、江苏、浙江多处猕猴饲养繁殖基地,搭建起了第一个实验研究用猴房。与此同时,他着手开发和自制仪器设备,其中一台光学脑功能成像仪分辨率达到微米级,比常见的磁共振脑功能成像(毫米级)的空间分辨率要高出许多。仅用一年时间,视知觉机制研究实验室就初具规模,可以进行实验猕猴的在体麻醉视觉功能研究和清醒注视训练任务。

“大脑有许多科学问题未解,我受到蒲慕明所长的启发,下决心去研究一些本领域内的最基本的科学问题。”王伟在回答记者当初为什么选择这一课题时说,眼睛为什么能看清楚,尤其是细节信息对于物体的识别至关重要,这一基本问题深深地吸引了他。

最初几年,王伟主做了所有关键实验,手把手带教学生。在麻醉猕猴脑功能成像和视觉电生理研究中,每次实验要不间断地进行一周左右。王伟总是让学生轮流回宿舍休息,而他每天都蹲守在实验室,亲自收集关键的实验数据,累了就打个盹。他坚信这样的话:如果你没有别人十倍的聪明,你就必须付出十倍于人的努力。

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