面孔知觉学习的神经机制

The current project aims to investigate the plasticity of face representation in human brain. As a hot topic in neuroscience research, brain plasticity has been studied intensively. Yet researchers have no consensus on the mechanism of brain plasticity. In addition, there are only a few studies on the plasticity of high-level visual cortex (e.g., face selective cortex). This project adopts the classic perceptual learning paradigm which is commonly used in plasticity research to investigate the neural mechanisms underlying face perceptual learning. We will combine psychophysics, magnetic resonance imaging (MRI) and diffusion tensor imaging (DTI) to comprehensively and systematically study perceptual learning of typical facial attributes (identity, viewpoint, expression), on the behavioral level, brain region level and neural circuit level. By comparing different learning mechanisms, we aim to find the general and specific mechanisms of face perceptual learning. This project will not only provide original and comprehensive evidence on the mechanism of plasticity of face representation, but also lead to substantial breakthroughs in the field of brain plasticity.

本项目旨在研究人类大脑中面孔表征的可塑性。大脑可塑性在近年来成为神经科学领域研究的热点问题，但是目前该领域还存在重大的理论分歧。另一方面，高级视皮层（如表征面孔皮层）的可塑性仍缺乏研究。本项目采用可塑性研究中经典的知觉学习范式，来探索面孔知觉学习背后的神经机制。我们拟结合心理物理学、磁共振成像（MRI）和扩散张量成像（DTI）等手段，全面系统地考察面孔多个属性（身份、朝向、表情）知觉学习在行为层面、大脑局部层面和神经环路层面的机制。通过对不同学习机制的比较，总结出面孔知觉学习的一般机制和特殊机制。本项目不但可为面孔表征可塑性的机制提供原创的、全面性的实验和理论证据，同时也将在理解整个大脑的可塑性方面做出实质性的突破。

本项目主要研究了人类视觉系统加工面孔信息的神经环路及其可塑性。前人研究发现多个大脑区域可加工面孔信息。但是对面孔加工的核心脑区还存在争论。此外，目前还不清楚哪些脑区是面孔加工的个体差异的基础。针对这些问题，本项目第一部分的研究围绕着面孔觉知、面孔表情探测和面孔工作记忆三个代表性的面孔加工能力，采用行为学和磁共振相结合的方法，探索这些面孔加工过程相关的大脑活动以及和个体差异相关的大脑结构和功能特征。我们的结果显示，梭状回面孔区的活动和面孔觉知及工作记忆阶段面孔信息的维持均有密切的关系。此外，该脑区的灰质结构特征也和面孔觉知及表情探测等功能的个体差异相关。这些结果表明，面孔加工的核心区域可能是梭状回面孔区，其功能涵盖了面孔觉知、面孔表情探测和工作记忆等加工过程。接下来我们对面孔加工过程的可塑性进行了研究。前人对可塑性的研究普遍采用知觉学习的方法，考察其对神经活动的影响。但是目前在该领域还没有一个占优势的理论对学习的机制进行解释。我们的研究结合行为学范式和磁共振的手段，从面孔朝向知觉学习、面孔表情知觉学习和面孔工作记忆学习这三个方面来探索学习对面孔加工过程的影响及其神经机制。首先我们研究了带噪声和不带噪声的面孔朝向知觉学习，通过对比学习前后的神经活动，我们发现梭状回和颞上沟区域分别在不带噪声和带噪声的面孔朝向学习中起着重要作用，反映了学习对内部噪声和外部噪声的抑制过程。因此我们的证据支持了知觉学习领域的噪声抑制理论，发现了对噪声进行抑制的区域。另外，面孔表情知觉学习的效果在不同表情强度的面孔间的迁移不对称。而面孔工作记忆的学习效果可以迁移到非面孔刺激上。这些发现说明除了共同的机制之外，每种学习也具有各自独特的机制。总的来说，我们的研究拓展了对面孔信息加工机制的认识，并且为面孔信息学习的共同机制和独特机制提供了重要证据。