灵长类动物自身运动朝向感知中视觉形态和视觉运动线索相互作用的神经机制

To navigate effectively through a complex three-dimensional (3D) environment, we must accurately estimate our own motion relative to objects around us，which is called self-motion perception. To understand how the brain makes use of the visual information for heading discrimination is an important aspect of the investigation of self-motion perception. But now we still know little about the specific neural mechanisms. The current proposal intends to explore the neural mechanisms of interaction between visual motion and form cues in self –motion heading perception. We will use three kinds of visual stimuli to simulate self-motion: simple optic flow (motion cue), Glass Pattern (form cue) and combination of these two cues. The activities of neurons from optic flow-responsive cortical areas such as MST, STP, VIP and 7a and behavior data will be recorded when the monkeys are performing the task of fixation or heading discrimination under the stimuli. The candidate areas for form and motion cue interaction, the tuning properties of the neurons to motion cue and form cue, neuronal representation of the form and motion cue interaction during fixation, and the links of the heading discrimination to the neuronal activities will be explored.

大脑如何利用视觉信息进行朝向判别，指导个体运动是自身运动知觉研究的一个重要方面，但目前为止，我们对具体的神经机制还知之甚少。本项目计划探索视觉信息中运动（motion）和形态（form）线索在个体自身运动朝向感知中的神经机制。以清醒灵长类为研究对象，采用单纯运动朝向线索的光流刺激、单纯形态线索的Glass Pattern刺激和两种线索整合的联合刺激，对自身运动进行模拟，在猕猴注视屏幕中心或执行朝向判别任务的同时，采用微电极记录猕猴大脑中对光流有反应的区域（如MST区、STP区、VIP区、7a区等）的神经元反应活动，探索form FOE与motion FOE相互作用发生的脑区，神经元对视觉form FOE和motion FOE的调谐特性，form FOE与motion FOE相互作用时神经元放电的变化，及其与自身运动朝向判别行为的关系。

传统观点认为，视觉的运动（motion）和形态（form）信息分别由解剖和功能上相互独立的背侧通路和腹侧通路处理。然而心理物理学的研究发现，人类在进行自身运动方向判别时，同时利用了光流中的运动和形态信息，当两者不一致时会影响方向的判断，提示视觉系统中形态与运动的加工通路相互关联，但其汇聚脑区和背后的机制尚不清楚。本项目以猕猴为实验对象，以不同形态/运动信息的光点为视觉刺激来模拟自身运动，在猕猴执行盯点任务的同时记录猕猴大脑背侧颞上沟区（MSTd）、顶内沟腹侧区（VIP）和后上颞多感觉区(STPa)的反应活动，研究视觉运动和形态相互作用的神经机制。已完成MSTd区的记录和数据分析，发现：（1）在运动-形态的联合刺激下，所记录到的MSTd区神经元中有21.99（31/141）对联合刺激中所包含的运动和形态信息均有显著调谐，可进一步分为一致细胞（对形态和运动方向的调谐正相关）和不一致细胞（对形态和运动方向的调谐负相关）；（2）与单纯运动刺激相比，运动-形态方向一致的联合刺激使一致细胞的最大放电率增高、调谐波宽变窄、水平面上的方向辨别能力提高，使不一致细胞的最大放电率降低、调谐波宽变宽、水平面上的方向辨别能力降低；（3）与运动-形态方向一致的联合刺激相比，不一致的形态信息使一致细胞对正前方的方向敏感度降低，使不一致细胞对正前方的方向敏感度提高。以上结果说明，MSTd区同时接收视觉运动和形态信息的输入。形态信息的加入会影响神经元的运动方向调谐，进而影响神经元对方向的辨别能力，这种影响与两种线索调谐曲线的一致性有关。此外项目执行期间已记录到14个STPa区神经元和115个VIP区神经元在不同形态和运动线索刺激下的放电活动，并进行初步分析。我们的研究不仅对了解人类视觉机理很重要，在机器人运动目标检测、无人驾驶、交通设施的设计等领域也有着非常重要的应用价值。