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猕猴腹侧视觉通路对不同视觉运动特征进行加工和处理的功能构筑和神经机制

发布时间:2012-09-26

 2012926日,《神经科学杂志》在线发表了题为"Distinct functional organizations for processing different motion signals in V1, V2, and V4 of macaque"的研究论文。这项工作主要由来自中科大的访问博士研究生安旭同学,助理研究员弓洪亮和导师王伟研究员及其实验室其他工作人员共同完成。

视觉运动信号的感知和检测是灵长类动物赖以生存的最重要视觉功能之一。视觉运动信号的组成成分包括运动方向(direction),运动速度(speed)和运动轨迹 (axis of motion),其中运动轨迹体现在运动物体在不同的时间点上连续激活不同的视网膜区域。灵长类初级和次级视皮层(V1V2)由于具有较小的时空整合感受野,偏好对局部运动信息起反应,往往不能正确表征具有不同图形特征的整体运动方向,即运动感知和计算中著名的“光圈局限性”问题(aperture problem)。另外,在动画片和电影电视中的运动感知中并不涉及物体真正的运动,而是多帧空间位置不同的静止图片或场景,经不同的采样或拍摄速率制作而成(24/)。这种不涉及真正物体空间移动的运动感知,通常被称为“采样运动”(sampled motion)或“快速连线”(speed lines)。非人灵长类各级不同视觉脑区对运动三组分(方向、速度和轨迹)的加工,处理,功能构筑原则和机制的异同至今仍不十分清楚。

结合免疫组化和形态解剖学技术,利用在位内源性信号光学成像技术和数学模拟,对全屏噪音视觉运动刺激进行跨脑区(V1V2V4视皮层)同时脑功能成像记录,研究发现在V1V2V4视区方位功能构筑中的神经元,不仅能够编码轮廓方位和朝向信息,而且还可以编码运动轨迹和速度信息,二者紧密相关。在运动速度大于2/秒时,神经元编码的运动轨迹平行于运动方向,而低于2/秒时,则编码的运动轨迹垂直于运动方向。但是,在V2视区CO染色深的粗条带中的方向敏感性神经元群体对运动方向偏好的编码与运动速度无关。另外,运用线性时空能量模型可以准确地模拟和预测所观测的实验数据和现象。研究结果和发现揭示,灵长类腹侧视觉系统中的各级方位选择性神经元可以通过感受野线性时空整合机制,编码视网膜上物体运动轨迹和运动速度,进而感知物体运动。该研究进一步提供了除经典运动方向大脑处理机制外的另外一种对物体运动进行线性加工和处理的脑机制,这一线性脑机制不仅有助于帮助解决运动感知和计算中著名的“光圈局限性”问题,也可能是人们观看电影电视和动漫(Cartoon Animation)上各种运动(sampled motion)感知的神经基础。

这项工作由科技部973计划和中国科学院“百人计划”资助。

 

A.以动漫中的采样运动为例,图示视觉运动三个特征构成组分: 运动方向、运动速度和运动轨迹。每个霓红灯泡按时间先后顺序,从左到右依次点亮和关闭(闪烁),霓红灯泡之间的闪烁间隔时间在一定范围内,将产生闪烁光斑从左到右运动的错觉。该运动感知不涉及像汽车运动或子弹在飞那样的闪烁霓红灯泡在空间上从左到右的真正位移,而是不同霓红灯泡按时间的先后顺序静止闪烁。

B.结果示意图。本研究发现在猕猴腹侧视觉通路中,V1V2V4视区方位功能构筑中的神经元,不仅能够编码轮廓方位和朝向信息,而且还可以编码运动轨迹和速度信息,二者紧密相关。而在V2视区CO染色深的粗条带中的方向敏感性神经元群体对运动方向偏好的编码与运动速度无关。研究结果和发现揭示,灵长类腹侧视觉系统中的各级方位选择性神经元,可以通过神经元感受野线性时空整合机制,编码视网膜上的物体运动轨迹和运动速度,进而感知物体运动。

 

 

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