基于群感受野的注意对视觉认知调节的脑机制研究

Attention allows us to selectively process the vast amount of information with which we confronted. Previous studies have shown that visual attention had modulations on the visual cognition in visual cortex. However, the brain mechanisms of the attentional modulations are not clear. Studies on population receptive field (pRF) in the aspect of the functional unit of visual processing will contribute to explaining the brain mechanisms of visual cognition, and provide a new perspective to study the brain mechanisms of visual attention. In this project, three kinds of attention tasks will be designed based on the visual stimulus of pRF experiment. Using functional magnetic resonance image (fMRI) and pRF analysis, we will investigate four properties of pRF on visual cortex, including spatial position, size, anisotropic shape and excitatory-suppression zone. Then, the difference analysis on retinotopic maps, variance analysis, and multi-voxel pattern analysis (MVPA) will be used to compare the pRF properties among the three attention conditions. According to the relativities of the differences in pRF properties among these visual cortex areas, we will establish the models of brain functional networks. Finally, we try to improve the knowledge on the brain mechanisms of visual cognition and attentional modulation on visual cognition. The results of this project will contribute to understanding the visual attention of human brain, and provide the related enlightenment and biological prototypelay for the studies on mimicking the mechanism of attentional modulation, and conduce to the development of intelligence and efficiency of artificial intelligence and humanoid robot.

注意是人脑对外界信息选择性处理的认知过程，能够调节视觉认知，但其脑机制至今不明。对视觉皮层群感受野（pRF）的研究能够从视觉信息处理的基本功能单位方面探讨大脑的视觉认知，将为研究视觉注意的脑机制提供新视角。因此，本项目将基于pRF实验的视觉刺激设计三种注意任务，并结合功能磁共振成像（fMRI）技术和pRF分析方法，研究整个视皮层的pRF特性，包括位置、大小、各向异性及激活区-抑制区；利用视网膜脑图差异分析、方差分析和多体素模式分析（MVPA）等方法比较三种注意任务间pRF四项特性的差异；在此基础上，根据pRF特性差异在各视皮层区之间的相关性，构建注意调节视觉认知的脑功能网络模型，最终将有望完善视觉认知和注意对视觉认知调节的脑机制。本项目的完成可以增进对大脑视觉注意的认识，能够为模拟大脑注意调节机制提供相关启示和生物原型，有助于人工智能和类人机器人智能化和高效性方面的发展。

大脑是一个非常复杂系统。基于神经影像技术研究可以从脑功能方面揭示大脑的工作机制。最近，通过神经影像和图论方法的脑网络研究从整体模式方面揭示大脑的工作机制以及脑疾病的病理机制。在本项目中，首先研究了注意调节视觉皮层群感受野，探讨注意调节视觉认知的实验设计，研究整个视皮层的pRF特性，包括位置、大小等，并比较各条件间的差异，建立视觉注意调控网络。然后，探究了大脑物体视觉认知与注意的调节、宽视野下的物体认知机制究、视觉空间注意网络的偏心率特性。基于最小生成树、大脑网络拓扑偏侧化现象，探讨了偏侧化的性别差异，以及AD、ADHD、BD等疾病大脑偏侧化模式的异常表征；针对任务态，发现了老年人视听整合能力下脑网络机制，高的反应抑制具有高的脑网络效率。 最后，利用排列熵分析AD患者脑部fMRI BOLD信号的复杂度；基于模糊熵研究了听觉配对刺激范式(S1和S2)下大脑活动的复杂性，对精神分裂症患者感觉门控的信号处理方面异常进行阐释。综上，本项目是计算机科学、认知科学、神经科学和临床医学等多学科综合交叉，围绕脑认知基础与脑疾病的诊断和干预重点脑科学问题开展的一些列研究。