视觉信息的多重表征及其经验依赖性

Neural circuits of visual processing and plasticity of sensory cortex, are the frontier in the international brain research and also a key research direction of the national 13th Five-Year Plan for scientific development. Previous studies revealed single neurons usually encode visual information in a way of tuning curves. However, it is still unclear how neuronal population represents the information and whether multiple representations coexist even for a simple visual attribute. Orientation, as a basic visual attribute, is used in this project to explore how visual information is represented in multiple ways, and how the representations are shaped by visual experience. The following contents are studied: 1) probing orientation anisotropy resided in Cartesian and polar coordinates for human contour detectability; measuring receptive fields and orientation selectivity of a large population of neurons in monkey V1 areas, and exploring whether orientation coding is also anisotropic by comparing the response patterns of population neurons to different orientations defined in both Cartesian and polar coordinates; These orientation anisotropies in contour percept and neuronal coding provide an insight into the function roles of Cartesian and polar orientation representations in face of complex visual environment. 2) Investigating whether an orientation training task can improve both resolution and accuracy of orientation percept; dissociating these two learning processes by comparing the specificities of two learning effects to the trained orientation, eye and task. Perceptual learning could be used as an effective tool for dissecting the complex neural processes underlying visual perception.

视觉神经环路和感知觉皮层可塑性是脑研究的国际前沿，也是国家“十三五”学科发展计划中的研究重点。早期的研究已经揭示单个神经元通常以调谐曲线的形式编码视觉信息，但神经元群体以什么样的形式，以及是否存在多种形式来表征信息仍不清楚。本项目从朝向这一基本属性入手，探讨视觉信息的多种表征形式及其经验依赖性问题。主要内容包括：1）将轮廓的朝向在直角坐标和极坐标系下进行定义，考察轮廓感知在这两种坐标系下的朝向不对称性；测试V1神经元的感受野和朝向选择性，从群体水平考察直角坐标和极坐标朝向编码不对称性；这种感知能力与神经元上的朝向不对称性，为理解两种朝向表征方式在面对复杂视觉环境时的功能意义提供了依据。2）考察一个训练任务能否同时提高朝向感知的精确性和准确性两方面的能力；利用两方面的学习效应在特异性上的差别，揭示两方面知觉能力及其学习过程的是否独立。知觉学习可能作为是一个有效的工具来区分复杂的视觉加工过程。

视觉神经环路和感知觉皮层可塑性是脑科学研究的国际前沿。本项目从不同的角度界定了视觉信息和视知觉能力，通过一系列实验探讨了朝向视觉信息的多种表征形式及其与环境和经验的关系。主要内容包括：1）从知觉、神经元和自然场景统计的角度，探讨两种共存（基于直角坐标系和极坐标系）的朝向信息表征形式及其与外界环境的关系。我们发现，人被试对出现在中央凹的水平和垂直朝向的轮廓相比倾斜朝向的轮廓表现出更好的检测力；而在周边视野区域，向心朝向的轮廓相比其他朝向具有较好的检测力。这种在中央凹占主导的直角坐标形式的朝向偏好和在周边视野极坐标主导的朝向偏好，与猴V1皮层神经元的朝向表征特性类似：对于感受野在中央凹附近的神经元，偏好水平和垂直的数量多于其他朝向；而感受野在周边视野的神经元，偏好向心的比例最大。为了探讨两种表征形式的功能意义和环境因素，我们追踪了人被试在自由观察真实场景的照片时眼注视点在图片中的位置，从而测量了真实场景中朝向元素在视野中的分布。结果显示：对于纯自然物场景，不同朝向元素在不同视野位置中的数量比例，与朝向轮廓的检测力和神经元数量比存在正相关；而对于以人造物体为主的场景，这些相关都不显著。这提示我们，纯自然环境中的视觉统计特性可能是塑造视觉系统早期阶段信息表征规则的生态学基础，而个体发育过程中所处的人造环境可能对其影响不大；在探讨视觉系统对外部环境的适应性问题时，需要考虑个体对环境的选择性规律。2）为了同时从感知能力的精确性和准确性两方面考察视知觉的经验依赖性，我们引入了一个任务无关的周边刺激来诱发中心目标刺激产生较强的排斥性朝向错觉，人被试在这种错觉条件下对目标刺激进行朝向辨别训练。结果发现，训练不仅减小了朝向辨别阈值（提高精确性），还减小了朝向错觉量（提高准确性），且两种学习效应都能长期保持。更重要的，两种学习效应在不同被试之间是不相关的，且在刺激朝向、训练的眼和训练任务的特异性上可分离的，这暗示了关于同一个刺激的两个不同的学习效应可能涉及到不同神经过程。3）在不同的外周朝向条件下对中心目标刺激进行训练，我们发现两种相反效应（排斥或吸引）的朝向错觉具有不同的学习特性，暗示了两种相互拮抗、具有不同经验依赖特性的错觉机制可能同时作用于朝向信息加工并共同决定了朝向感知的准确性。本研究项目不仅有助于我们理解多面的视觉信息加工和视知觉，而且为理解多线程的皮层可塑性提供了新的视角。