图形背景相互作用的群体编码研究

视觉系统对一个视觉刺激的识别和分辨取决于该刺激周围的图形上下文，即依赖于图形和背景之间的复杂相互作用，而且这种相互作用受过去的经验影响。了解图形元素之间在知觉上被组合和分割的神经元机理是了解客体识别的神经机制的关键。以往的研究表明，初级视皮层（V1）神经元参与了编码图形和背景的复杂关系。然而，这些研究大多是基于对单个神经元反应特性的考察，无法真正了解一群神经元是如何协作来共同完成对图形元素的组合和分割的；也无法了解这种编码过程与知觉学习和经验的关系。本项目拟在申请人已有的单电极记录研究所取得的重要发现的基础上，采用最新的慢性植入式微电极阵列，以清醒猴为实验对象，通过同时记录感受野在图形和背景上的一群神经元，来探讨V1细胞在图形和背景相互作用中的群体编码机制；并且长期跟踪这些神经元在猴子学习图形检测任务过程中的变化，探讨知觉学习对图形背景分辨影响的神经元机制。

视觉感知依赖于图形元素之间的上下文关系，并受选择性注意的调控和过去经验的影响，这些因素共同决定了视觉系统如何对图形元素进行加工和表征，形成知觉上的图形和背景。了解图形元素之间在知觉上被组合和分割（即知觉组织）的神经机理是了解视觉信息加工的关键。以往研究表明初级视皮层（V1区）参与了编码图形和背景的复杂关系。然而，这些研究大多是基于对单个神经元特性的考察，而且很多结论都是从麻醉动物模型获得，无法了解一群神经元是如何在注意的调控下协同完成对图形元素的组合和分割，也无法了解编码过程如何受学习训练的影响。本项目在三年执行期内，通过在猕猴V1区植入微电极阵列，探讨了图形和背景相互作用中神经元的群体编码机制；并且通过跟踪猴子在学习图形检测任务过程中神经元反应的变化，探讨了知觉学习提高图形背景分辨能力的机制。研究还采用心理物理学的实验手段，在人和猴被试上研究了知觉学习、知觉组织和注意分配的规律。神经元记录和行为测量相结合的系统研究在不同层面上揭示了知觉组织和知觉学习中的一些重要现象及其机理。其中，猴子电生理的研究质疑了传统的“同步振荡编码理论”，提出V1神经活动所表现出的gamma频段（30-80Hz）的振荡由于其时间特性高度随机，不是协同神经元之间活动的可靠时钟信号（Xing et al., J Neurosci 2012）；此外，由具有特殊几何关系的线条所诱导产生的错觉轮廓线主要是在较为高级的视皮层V4区编码的，并非像前人研究所认为的是V2区神经元整合V1输入而产生的，提示高级和低级视皮层之间的交互作用在知觉组织中具有重要作用（Pan et al., J Neurosci 2012）。项目还用心理物理的实验手段，研究了知觉学习对人视觉分辨能力的影响，发现在精细分辨两个刺激差异的任务训练中，基于非视网膜坐标系的视觉信息加工机制会被特异地改变，使得视觉系统能够更好地在时间和非视网膜空间上整合信息，这一研究打破了知觉学习受限于视网膜坐标位置的传统思路（Zhang and Li, PNAS, 2010）。在清醒猴上的电极阵列跟踪记录还发现，学习导致的图形背景分辨能力的提高与V1神经元群体编码效率的提高密切相关。这些系列研究加深了人们对知觉组织和知觉学习所对应的神经机制的了解，对完善视觉加工和知觉学习理论具有重要意义。项目取得了预期的成果，达到了预期的目标。