视觉知觉学习与视觉信息加工的空间参考坐标

Visual perceptual learning is usually specific to the trained retinal location, which is taken as an indication of plastic changes in early retinotopic visual areas. Previous studies of perceptual learning emphasize this location specificity, overlooking the multiple frames of reference on which visual processing and visual perception depend. Our recent study found that motion perceptual learning is specific to relative location of stimuli in spatiotopic reference frame (PNAS, 2010), which opened a new avenue for exploring neural mechanism of perceptual learning and non-retinotopic visual processing. The present project aims to investigate further the reference frames of visual perceptual learning and the underlying cortical plasticity. Firstly, using psychophysical method we will explore the generality of the non-retinotopic learning effect in different visual tasks and the role of attention in the learning process. Secondly, by intracranial recordings of field potentials in the visual cortex of human patients, we will probe the cortical mechanisms of non-retinotopic processing. Thirdly, by intracranial recordings of field potentials, we will investigate whether perceptual learning can modify the activity of visual cortical areas and increase the efficiency of information processing. These studies are important for strengthening our understanding of visual perception and cortical plasticity.

传统的视知觉学习研究通常会考察学习效应在视网膜坐标下的位置特异性，从而推测与视网膜位置有严格映射关系的早期视觉皮层的可塑性。这一传统的思路忽略了视觉加工实际上涉及到多种坐标系下的信息表征及其可能的可塑性变化。我们最近的研究发现视知觉学习会特异于刺激间的相对空间位置（PNAS，2010），这对于探讨知觉学习的神经机制和多种坐标系下的视觉加工过程具有重要意义。本项目旨在通过创新性实验设计，进一步探讨知觉学习的参考坐标以及多坐标系下视觉信息加工和知觉学习的脑机制。具体研究包括1）使用心理物理法，从行为上探讨多坐标系下知觉学习过程的普遍性和注意在其中的作用，这将有助于揭示知觉学习的内在神经机制。2）使用病人颅内电生理记录的方法，考察视皮层中多坐标系信息加工的神经机制。3）使用病人颅内电生理记录的方法，考察知觉学习对视皮层信息加工能力的调节作用。这些研究对于认识视觉加工过程和及其可塑性具有重要意义。

知觉学习效应的特异性和迁移性通常被用来探讨知觉学习发生的神经机制。视觉知觉学习通常特异于视觉刺激在视野中（或视网膜坐标上）的位置，这一特异性提示了与视网膜位置有严格映射关系的视皮层可能参与了知觉学习的过程。然而这一思路忽略了基于视网膜以外的其他空间坐标系的视觉加工过程。我们之前的研究发现，运动方向辨别知觉学习不仅特异于刺激的视网膜位置，还特异于刺激间的相对空间位置（Zhang and Li, PNAS, 2010），这一结果暗示了知觉学习可能涉及到多种不同的神经过程。本项目通过创新性实验设计，进一步探讨知觉学习的内在机制与不同空间坐标系下视觉信息加工的机制问题。具体研究包括：1）使用心理物理法，通过引入眼动的实验范式揭示了朝向知觉学习中的空间坐标位置特异性成分，而且这种空间成分只在训练的朝向和训练的视网膜位置才能观察到。随后的实验发现，被试对训练刺激的注意越强，这种空间特异性学习成分就越大。这些发现提示：一方面，知觉学习可能并不是单一皮层机制的改变所导致的，而更可能涉及到注意网络等高级脑区与低级视觉皮层之间的相互作用（Zhang et al., 2013）。在最近的一篇综述里我们对这一观点进行了更详细的阐述（阎，等，2015）。另外一方面，这些结果说明视觉系统并不一定需要一种外显（独立与眼注视）的空间参考坐标来表征基本的视觉属性，眼动伴随的注意再影射（attention remapping）过程与低级的视网膜坐标皮层表征机制的相互作用，也能实现基本视觉属性的在空间参考坐标系的表征。2）使用人颅内电生理记录的方法，考察顿悟式知觉学习的神经机制，初步结果显示视觉顿悟式学习可能同时涉及到负责注意调控的顶叶皮层与枕颞叶视皮层。3）为了直接地探讨多种不同的神经过程在知觉学习中的作用，我们已在猕猴V1区植入微电极阵列，目前正在试图通过群体神经元活动的改变，来揭示知觉训练如何独立地提高知觉的准确性和精确性两种知觉能力的神经机制。这些研究揭示了知觉训练对知觉能力的提高是多方面的，能够多线程和多层级的影响皮层的加工过程，这对于我们理解皮层可塑性具有重要意义。