基于自然场景的人类视觉环路脑图谱的构建

The visual neural system, which is highly correlated with human basic functions, plays an ultimately important role in human’s life. Understanding the amazingly complex human visual circuits requires a map of its cortical areas, which has been a century-old objective in neuroscience. However, visual circuit parcellations nowadays are based on human synthetized simple stimuli, which cannot drive complex visual neurons sufficiently and make retinotopic maps inaccurate. Using natural scene movie based multi-modal magnetic resonance imaging (MRI), we plan to delineate areas in human visual circuits by sharp changes in cortical architecture, function, and connectivity. We will abstract precise functional characteristic maps of these areas by reverse correlation between visual stimuli and BOLD response, and draw individual based multi-modal map through multi-modal surface matching. The research would benefit our understanding of top-down information characteristics of human visual circuits. And the natural scene based multi-modal brain map will provide a powerful and efficient means for studying the structural and functional organizations of human visual cortex and its variation in development, aging, and disease.

视觉在人类认识客观世界中占极其重要的地位，视觉系统与空间定位、情绪认知、身体平衡等人类基本的功能相关，因此人类视觉神经机制的研究是重大科学问题。在神经机制的研究中，对人类大脑进行解剖和功能区域划分的脑图谱是必不可少的基础工具。但现有视觉皮层的功能定位方法难以激活复杂神经元，使得拓扑图的精度受限，多模态脑图谱的视觉皮层的功能分区划分精细度较低。据此，本研究计划开发基于自然场景的视觉环路的多模态脑图谱方法，通过综合被试者在自然场景下的视觉环路的网膜拓扑图和精细的脑结构成像，用多模态磁共振对人类视觉环路获得精细划分。本研究将分析不同自然场景下视觉环路感受野的动态调谐特性，研究视觉环路的自上而下的信息加工机制。本研究开发的脑图谱方法有望进一步降低现有的多模态脑区定位误差，为解剖学、神经科学、认知科学、神经病学和眼科学等学科提供一个新的基本工具。

视觉在人类认识客观世界中占极其重要的地位，视觉系统与空间定位、情绪认知、身体平衡等人类基本的功能相关，因此人类视觉神经机制的研究是重大科学问题。在神经机制的研究中，对人类大脑进行解剖和功能区域划分的脑图谱是必不可少的基础工具。因此，我们计划开发视觉环路的多模态脑图谱方法，利用多模态磁共振成像对人类视觉环路获得精细划分。主要研究成果：1）人类视觉系统白质OR和VOF的群体感受野存在显著的视网膜拓扑特性，并拟公开人类视觉系统白质的群体感受野图谱，该成果深了我们对人类视觉环路的认识，为白质纤维的功能成像研究提供了一个新的途径；2）通过人工神经网络深度学习结合功能磁共振影像，我们以较高的准确率解码人类的大脑状态，并定位相关脑区，该成果显示出将深度学习应用于fMRI研究中的巨大潜力；3）偏盲患者经过知觉学习训练后右侧颞顶联合及注意功能网络的功能连接得到显著的提高，这为研究知觉学习干预偏盲患者神经环路可塑性的神经机制提供了证据；4）探究在视觉发育关键期外发病的恒定性外斜视患者大脑皮层的变化，研究发现恒定性外斜视患者的ReHo值在右侧V2脑区显著增加，左侧BA47 ReHo值的显著降低；5）研究发现弱视患者的视觉神经网络明显受损，纹状皮层、纹外皮层、下颞皮层的功能连接明显降低，在较弱的视觉网络和弱视中的视觉空间网络中功能相关性的减弱。本课题的以上成果为人类的多模态磁共振研究提供了新的工具，加深了对人类视觉环路的信息传输与加工机制的了解。