科研进展
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  • 形状视觉:视皮层V4区的圆弧功能模块
     
          2020年12月1日,《eLife》期刊发表了北京师范大学认知神经科学与学习国家重点实验室吕海东课题组的研究成果。这项研究揭示了一种新的视皮层功能模块:圆弧功能区(curvature domains)。
     
          灵长类的大脑皮层由各种各样的功能模块构成。例如,在初级视觉皮层,具有相同朝向偏好的细胞聚集在一起,形成朝向功能柱;在高级视觉皮层IT区,对面孔有偏好的细胞聚集在一起,形成面孔功能区。然而,中等复杂度的形状是否也有相应的功能模块并不清楚。
     
          在这项工作中,研究者们利用内源信号光学成像和双光子钙信号成像,在两个不同的空间尺度对猕猴的视皮层进行了研究。他们在处理形状信息的重要脑区V4发现了一种新的,约0.5毫米直径的功能模块,这些功能模块内的神经元对圆弧形状的轮廓线反应很强,而对直线或折线反应很弱。这些功能模块被称为“圆弧功能区”(curvature domains)。 

     
     
    图一. 通过比较对两种视觉刺激的反应,内源信号光学成像揭示同一成像窗口内V4区的圆弧功能区,即C,D,E图中分布一致的黑色斑块。F图为用来作为对比的该成像窗口内的朝向功能区。
     
          这种圆弧功能区和V4的朝向功能区大小类似,但很少重叠。和朝向功能区不同,圆弧功能区只在V4有,在比较低级的视觉脑区V1和V2则没有。

          在圆弧功能区内,不同神经元的反应还有一些差别。有些神经元对整个圆的反应强,而另一些则对弧线片段的反应强,很多还对弧线开口的朝向有选择性。这些有不同偏好的神经元进一步形成更小的功能亚区。

          此外,圆弧神经元并不是只对圆弧反应,它们对其他类型的刺激也有不同程度的较弱的反应,说明V4对圆弧和其他形状的编码是一种群体编码方式。我们的结果和前人的研究都表明,V4神经元的形状表征和处理是复杂的。而圆弧功能区的发现表明一些细胞以一种简单的共性聚集起来。这种有序性的功能意义还需要进一步的探索。

     
     
    图二. 双光子钙信号光学成像揭示细胞群体对不同图形刺激的反应(D,E),以及单细胞对不同视觉刺激的反应(F)。

     
    图三. 不同功能模块内细胞对多种视觉刺激的平均反应。
     
          这是首次发现处理中等复杂度形状信息的功能模块。V4区圆弧功能区的存在说明圆弧在视觉信息处理中的重要性,以及V4在此处理中的重要作用。

          该论文的共同第一作者为博士后汤仁东和博士研究生宋倩玲,实验室研究生李莹、张睿、蔡幸雅也在实验中做出了贡献。该研究工作得到了国家自然科学基金和中国博士后科学基金的支持。
     
    论文链接:
    Tang R*, Song Q*, Li Y, Zhang R, Cai X, Lu HD (2020) Curvature-processing domains in primate V4. eLife; 9:e57502 doi: 10.7554/eLife.57502. (* equal contribution)
    https://elifesciences.org/articles/57502
     
    吕海东课题组网页:
    http://brain.bnu.edu.cn/home/haidong/