自身运动认知中眼动补偿的神经机制

Self-motion is the motion status when observer moves through the environment. The proper function of self-motion perception, also termed heading perception, is crucial to various human daily behaviors, such as walking, driving, chasing etc. In many circumstances, heading is accompanied with eye rotation. This pursuit eye movement induces great distortion on optic flow pattern perceived by our retina. Interestingly, observer can still accurately estimate heading direction, which suggests there is a eye movement compensation mechanism to discount the effects. Unfortunately, the neuronal mechanism of this eye movement compensation still remains unclear. By combining extracellular recording technique, psychophysical and neural computation methods, we will record neuronal activities from VIP and MST area while monkey is performing heading task. There are three different experimental conditions: real eye movement plus heading stimuli, simulated eye movement added on heading stimuli, eye movement only. By analyzing neuronal responses accordingly, we can determine whether extra-retinal information is necessary to eye movement compensation process or not. Furthermore, we will try to modeling this eye movement compensation process base on the neuronal responses collected under different experimental conditions. This research will uncover the neuronal mechanism of eye movement compensation during heading perception and clarify how our neural system extract real heading direction by integrating visual and non-visual information.

自身运动指观察者在外界环境中的运动状态，该认知功能的正确实现对行走、驾驶、追逐等诸多人类日常行为均至关重要。自身运动过程中常常因为追踪物体而伴随着眼球旋转，它会严重扭曲来自于视网膜的光流图样，为自身运动认知造成困难。然而观察者在进行眼动追踪时依然能很精确的判断自身运动方向，喻示神经系统必然存在一种补偿机制来矫正眼动追踪带来的视觉信息改变，目前这种眼动补偿的神经机制尚未明晰。本项目拟结合神经电生理、心理物理和神经计算等方法，在猕猴完成认知实验任务的同时，记录负责自身运动认知的VIP和MST脑区神经元的电活动。通过比较和分析真实眼动、模拟眼动和单纯眼动三种条件下，同一神经元对不同信息输入的反应差异，可探明非视觉信息在眼动补偿的实现中是否必需，并将根据不同实验条件下神经元的反应构建眼动补偿机制的神经计算模型。这对探明眼动追踪时神经系统如何从扭曲的视觉信息中抽提真实的自身运动方向有重要意义。

灵长类顶内沟腹侧脑区（VIP）是参与自身运动方向判断的关键脑区，尤其当发生眼动追踪需要解决眼动补偿问题时时。在之前所有相关研究中，都是先对猴子进行自身运动方向辨别的实验任务训练，然后再采集0神经元电活动数据。尽管已经有研究表明行为训练可以有效提高猴子在完成伴随眼动追踪时分辨自身运动方向的正确率，但是迄今为止还没有实验证据揭示行为训练引起的VIP脑区神经元反应特性的变化是否与实验动物完成上述实验任务中的行为表现变化有直接因果联系。..我们在训练猕猴完成自身运动方向辨别任务的同时记录了其行为表现和VIP脑区神经元反应性质的变化。视觉刺激采用计算机模拟被试向3D点云运动时所看到的图像。自身运动方向有多个预设角度且在不同试次中随机在水平方向上随机调整。为了评估视网膜信号和非视网膜信号的贡献，我们在刺激条件中包含了注视/真实眼动/模拟眼动条件。..我们发现尽管视网膜信息输入在真实和模拟眼动条件是一样的，但尽管猕猴在真实眼动条件下经过训练行为表现出现显著提高，但是却对其学习模拟眼动条件下辨别自身运动方向没有帮助，也就是学习效应不能迁移。此外，我们发现尽管训练在所有眼动条件下都可以显著提高VIP神经元对视觉刺激变化的敏感性，但是却没有改善不同眼动条件下神经元调制曲线间的聚合程度，意味着在单个神经元水平上训练不会提高其解决眼动补偿问题的能力。..我们的结果表明尽管神经系统可以只利用视觉信息-光流-解决眼动补偿问题，但是其神经机制与真实眼动情形下应该截然不同。行为训练可以逐渐提高VIP神经元对光流刺激的敏感性，但这种敏感性的提升与眼动条件无关且不会对解决眼动补偿问题有帮助。因此，眼动补偿问题的解决很可能是依赖于快速灵活的神经信息读取规则变化，而非感觉系统神经元调制特性的改善。