不同脑区在视觉图形处理过程中的协同作用研究

Multiple visual cortical areas are functionally specialized and hierarchically organized. Local line segments of various orientations are first detected; these contour elements are then integrated into different forms, which in turn are assembled into complex objects. However, local image components could be ambiguous without taking into account the global organization of visual images; on the other hand, the global features depend on proper grouping of local image components. A possible solution to this paradox involves bidirectional communications across cortical areas under selective attentional control, allowing synergistic and simultaneous processing of local and global information. But it remains largely unknown about this processing mechanism. In this proposed project, by using chronically implanted microelectrode arrays and linear electrode arrays with multiple recoding contacts, we will simultaneously record neurons from different layers in V1 and V2 of awake monkeys to examine inter-areal and inter-laminar neuronal interactions. We will also perform simultaneous recordings from V4 and dorsal lateral prefrontal cortex (dlPFC) to study how top-down attentional signals regulate visual information processing in the cortical circuitry. These proposed studies will make significant contributions to understanding of the neural circuitry for parsing complex visual images.

由功能不同的视觉脑区组成的环路在加工图像信息时存在着层级递进过程：由编码简单的线段开始，到将线段组合成形状，再将不同形状整合成复杂客体。然而，简单的局部图形元素常常存在歧义性，需要参考大范围的全局图形构成才能正确进行组合和分割，而全局特征的形成又依赖于局部信息的整合。协调这种整体和局部加工之间矛盾的可能机制是：在选择性注意的调控下，视觉信息在不同脑区之间及时进行双向通讯，使得局部细节和全局特征达到协同编码。以往的研究受限于技术手段等因素，对此知之甚少，本项目拟采用近些年发展起来的高密度植入式电极阵列和垂直分层电极记录技术，同时对清醒猕猴的低级视觉区域V1和V2以及中级视皮层V4和背外侧前额叶（dlPFC）进行记录，研究图像信息在这些脑区间的协同加工机制以及注意等自上而下的认知调控信号对视觉信息加工的影响。该研究对建立完整的视觉理论以及建立高效的人工智能图形识别模型具有重要的意义。

灵长类动物的视觉系统依赖多个层级的视皮层区域来共同完成对图像信息的加工和整合，但不同脑区之间的协同机制并不清楚。为此，本项目利用猕猴动物模型，通过多脑区和分层同步记录技术，研究在图形元素的整合和分割过程中，V1与V2和V4以及V4与dlPFC之间的相互作用，揭示图像信息在多层级皮层环路中的解析机制。通过使用线性电极阵列同时对V1和V2内不同深度的神经元进行记录，我们刻画了时间和空间上交织在一起的若干神经计算过程在图形轮廓检测中的协同作用，为理解大脑高度智能化的多层级信息处理机制提供了重要实验证据。此外，通过在猕猴dlPFC与V4同时植入微电极阵列，我们跟踪记录了猕猴在学习全局图形检测任务的过程中这两个脑区神经元反应特性的变化过程；利用局部视觉特征差异检测任务，我们分离了自下而上的输入信号和自上而下的反馈信号各自对特征差异检测的贡献；利用条件格兰杰因果分析的方法，我们揭示了皮层内部神经元的侧向相互作用与反馈信号之间的协同交互作用及其在图像信息整合中的重要作用。我们还开发了研究动作电位与局部场电位之间相互作用的格兰杰因果关系分析工具，为后继进一步深入研究不同层级神经元之间的信息交流机制打下基础。这些研究成果从多个角度揭示了跨脑区多层级的动态视觉图像解析机制，对建立完整的视觉理论以及建立类脑的人工智能图形识别模型具有重要的意义。