猕猴视觉皮层V4对运动信息的处理机制研究

It is believed that visual motion information is mainly processed in the dorsal stream, while form information is processed in the ventral pathway. However, ventral areas also contain many motion sensitive neurons, including neurons that are selective to the direction of motion (DS neurons). What are the functional roles these neurons play in the ventral stream is not clear. Our recent study revealed that there are functional clustering organization of DS neurons in ventral area V4. This finding strongly suggest that area V4, as a part of ventral stream, does involve in processing visual motion information. Here we propose to study the functional role of DS neurons in the ventral pathway, in following 3 aspects: (1) Study the functional distribution and functional organization of V4 DS neurons with optical imaging methods. (2) Study single neuron response properties of V4 DS neurons based on the optical imaging maps. (3) Study functional connections of DS neurons within V4 and projecting to/from other areas. Results from these studies will reveal how motion is processed in V4. These results will also help us re-evaluate the parallel processing in the ventral/dorsal pathways, as well as the different processes of motion information in the primate visual system.

视觉运动信息通常认为是在背侧通路处理。然而，处理颜色和形状的腹侧脑区同样存在相当数量的对运动敏感的神经元，如方向选择性神经元（DS神经元）。在某些区（如V4）占神经元总数的13－33％。如此数量的运动敏感神经元在腹侧通路中的作用尚不清楚。我们最近的研究首次发现了腹侧脑区V4区DS神经元的聚集和功能结构，提示DS神经元确实参与V4区运动信息的处理并提供功能意义。在此基础上，我们拟从以下三方面深入研究DS神经元在V4和整个腹侧通路中的功能意义：（1）应用光学成像技术研究DS神经元的分布及其与其他功能结构的关系；（2）采用电生理单细胞记录手段研究DS神经元的视觉反应特性；（3）利用形态学方法研究DS神经元在脑区内和跨脑区的形态学联接关系。通过以上系统研究，将揭示运动信息在V4区的处理机制和功能意义，为进一步理解背侧和腹侧通路的并行处理机制、认识运动信息处理的两种不同方式提供理论依据和新的思路。

本项目在脑区，环路和神经元三个层面上研究了灵长类大脑视觉腹侧通路中方向选择性（DS）神经元的性质和功能。运用内源信号光学成像方法，我们描述了DS神经元在V4的分布和DS功能区的空间特征，揭示了DS功能区与颜色和朝向功能区之间的空间关系,以及V2和V4对运动边界的检测能力。在环路层面，我们用形态学示踪方法研究了DS神经元的形态学连接特征，发现了DS神经元在V2和V4脑区内部以及跨脑区的轴突投射特征。在单细胞层面，我们在功能图的指导下用单电极定位记录了V2和V4区DS神经元的感受野反应特性，发现了这些神经元和背侧通路中同类神经元的显著区别，提出了腹侧通路DS神经元可能参与的认知功能及其背后的神经环路机制。这三部分的结果相互支持，互为补充，首次提供了视觉腹侧通路中运动信息加工的大致轮廓，以及与背侧通路中运动信息加工的显著差别。这项工作为我们完整理解灵长类视觉系统中运动信息的处理和功能提供了关键证据。