视觉注意与反馈的调控脑机制研究及其在侵入式脑机接口中的应用

视觉系统是人类感知外部世界的最主要信息通道，大脑能够通过视觉注意机制过滤冗余信息，提高信息处理的效率。通过视觉注意神经机制的研究能够理解大脑的高效认知机理，并据此构建新的机器视觉认知与计算模型。同时，随着科学技术的不断进步，脑机接口技术在提高国民生活和健康水平、确保国家安全与公共安全方面日益重要。运动系统的脑机接口需要接受视觉信息反馈，从而在一个闭环体系中精确控制外部设备完成预期任务。本项目创新性地提出研究视觉注意与视觉反馈的调控脑机制，深入探索视觉与运动信息的解析与交互机理。拟开展研究视觉信息整合与调控的脑机制、大脑运动皮层控制信号的编码规律、以及运动控制过程中视觉反馈信息的整合，为视觉信息计算和脑机接口研究领域提供重要理论基础。同时，通过研制新型侵入式多通道刺激/记录双模式神经微电极，在侵入式脑机接口应用中实现关键技术突破，力争使我国侵入式脑机接口技术的研究跻身国际前列。

人类大脑通过视觉注意机制过滤冗余信息，提高信息处理的效率。本项目通过研究视觉注意神经机制以及大脑对电刺激的皮层处理机制探索大脑高效认知机理，据此构建人工视觉认知与计算模型，为视觉信息计算和脑机接口研究领域提供重要理论基础。取得的代表性研究成果如下：.大脑两半球的功能不对称性一直是脑科学研究热点，视觉空间注意是大脑主动的视觉信息选择过程，对视觉空间信息感知过程中的大脑两半球间不对称合作很可能有重要的调控作用。由于左右侧视野信息分别投射到对侧脑初级视皮层，视觉空间感知过程中必然存在大脑两半球的合作。其有两类坐标编码方式：自我中心坐标系，观察者以自己为坐标系中心来定义空间中物体的位置；物体中心坐标系，观察者以空间中某一物体为坐标系中心来确定其它物体相对于该物体的相对位置。研究表明自我坐标位置信息会影响到基于物体坐标位置判断的反应时间，并且这种影响在左右视野中是不对称的。我们发现在有视觉注意调节的情况下这种不对称性消失，即视觉注意消除了原本左半视野的空间感知弱势。这个结果表明，视觉注意可以调制左右脑的信息交流。.使用内源信号光学成像方法记录角膜电刺激诱发的皮层拮抗性响应，我们发现了明显的相互拮抗的视皮层正响应和负响应模式；正响应区域主要集中在18区的周边视野区域，而负响应区域主要集中在皮层17区代表中心视野的区域，提示角膜电刺激主要激活视网膜的周边区域。这种血氧活动负响应已经在功能核磁共振研究中被广泛报道，但其神经机制仍然存在很大争论。激光散斑成像的结果证明角膜电刺激诱发的皮层负响应区域中脑血流速度明显降低，而正响应区域脑血流速度增加。我们进一步探索负响应是否与神经元活动的抑制有关系，为此搭建了以平面电极阵列和线性多电极阵列为基础的电生理平台，记录了负响应区域在不同层之间的神经元活动与正响应区域的差异。结果发现，角膜电刺激的负响应区域在皮层中间层神经元的活动既有增加也有减少，但是增加相比正响应区域显著小。因此负响应不一定是由神经元活动的抑制造成的。这些研究为进一步系统地研究正常视觉刺激、视网膜电刺激以及视神经电刺激诱发视皮层功能成像的内在关系奠定了一定的基础，同时有利于揭示电刺激视觉通路诱发的脑机制。.在基金项目资助下，目前已培养博士研究生10名，发表国际SCI论文17篇，国际学术会议20篇，申请国家发明专利6项。