大脑初级视皮层神经元反应强度及相关性的视觉注意调制研究

Attention allows us to select relevant sensory information for preferential processing. Behaviourally, it improves performance in various visual tasks. One prominent effect of attention is the modulation of performance in tasks that involve the visual system’s spatial resolution. Physiologically, attention modulates neuronal responses and alters the profile and position of receptive fields near the attended location. How the brain encodes information in population activity, and how it combines and manipulates that activity as it carries out computations, are questions that lie at the heart of systems neuroscience. Several recent studies have shown that attention also decreases correlations between fluctuations in the responses of pairs of neurons (termed spike count correlation). In this research proposal, we propose to investigate whether attention-related modulations of rate and correlation are dissociable. We will record simultaneously from a few dozen neurons in visual area V1 while monkeys performed a color change detection task with a spatial attention component. Attentional field size and attentional load could be manipulated by spatial uncertainty of the visual stimuli and task difficulty. Our results could be used for strengthening theoretical foundation of the attentional modulation mechanisms in visual information processing, and our further understanding of the cognitive function of human beings’ visual system.

大脑注意机制能够筛选最有用的视觉信息，对其进行优先加工，这可能是目前人类智能仍然优于人工智能的一个重要原因。对能够极大提高信息处理效率的注意神经机制开展深入研究，具有十分重要的理论价值和现实意义。本项目拟在视觉信息传入大脑皮层的第一站-初级视皮层V1区，通过植入微电极阵列并结合动物行为学与电生理记录，分析不同类型的成对神经元如何受到视觉空间注意的调制，在神经元集群的层面验证视觉空间注意的调制模型是否支持中心-外周结构；深入系统地研究视觉注意对成对神经元反应强度和相关性的调制作用及其神经生物学基础，进一步改变视觉刺激呈现位置的不确定性以及任务的困难度，分析视觉空间注意范围和知觉负载对神经元反应相关性的影响，阐明视觉注意的调制机制，完善我们对大脑认知机制的理解。通过探索高等智能生物的大脑高效认知机理，据此构建人工智能的认知与计算模型，有望为人工智能计算以及脑机接口研究领域提供重要理论基础。

注意不仅可以显著增强或者抑制单个神经元对视觉刺激的反应强度，还能够影响神经元集群之间的相互作用。有研究发现成对神经元之间对视觉刺激反应的动作电位发放频率的波动存在弱相关，可将其称为动作电位发放相关性或噪声相关性（rSC）。尽管目前对注意调制反应相关性是否有利于神经编码在数学建模和实验观察上还存在争议，但研究证明注意能够在神经环路水平产生显著影响，被认为是提升神经集群编码刺激信息信噪比的重要因素。目前绝大多数工作研究视觉空间注意对V4、MT区感受野位置重叠的成对神经元之间反应相关性的影响，但目前在V1区非重叠感受野的成对神经元之间反应相关性是否也表现为负值，并且如何受到视觉空间注意的调制还并不清楚。本项目围绕这一问题，基于深度可调的多电极阵列技术开展猕猴在体实验，探索不同任务难度下，空间注意如何调制对目标刺激和干扰刺激各自反应的V1区神经元对之间动作电位发放相关性，并比较不同注意调制类型成对神经元反应相关性变化规律的异同，探讨其潜在的神经机制。实验中主要分析的成对神经元，根据其所包含神经元反应强度各自受注意调制是否显著而被分为三类：其中仅一个为反应强度显著增强神经元 (EN)；均不显著 NN)；其中仅一个为反应强度显著抑制神经元 (SN)。同时，使用倍增注意调制比率(MARFR)定量表征神经元对发放频率受注意调制体现的相互竞争程度。结果表明： EN类型的神经元之间发放相关性，会随着该对神经元竞争程度加剧而由正变负，增加任务难度一定程度上减小反应相关性；NN类型的神经元之间反应相关性，并不会随着该对神经元竞争程度加剧而呈现趋势变化，增加任务难度会显著减小反应相关性；SN类型的神经元之间反应相关性，会随着该对神经元竞争程度增大而逐渐升高，增加任务难度会显著提高反应相关性。我们发现当两个神经元的感受野不重叠且注意焦点被引导至其中一个神经元的感受野时，初级视觉皮层神经元之间动作电位发放相关性会受到任务难度的显著调制，并且与注意焦点位置无关。这些研究结果对计算机视觉、人工智能等相关领域研究提供了新的思路。