选择性视觉注意中神经反馈连接的作用及调控机制

Our brain includes numerous functional areas that are profusely interconnected by neurons and synapses. This complicate neural network is believed to be the neural basis of all cognitive functions, including learning, memory, consciousness and awareness. Most of these connections are reciprocal, i.e. feedforward and feedback. In visual system, anatomical feedback connections were found much more than feedforward connections in lateral geniculate nucleus (LGN) and primary visual cortex (V1) in cats and monkeys. This leading to pervasive assumption that feedback connections play an important role in visual information processing. However, electrophysiological experiment results suggest that feedback connection only plays a modulatory role, instead of a critical driving role. Feedback connections may potentially modulate (facilitate or suppress) feedforward signals as a function of top-down attention. We only perceive the most important information from outside world, therefore our visual system should filter redundant information to improve the efficiency of information processing. The studies for visual attention have a significant impact by providing a better understanding of the different cellular elements that make attentional circuits functional. In this proposal, we aim to study the mechanism of neural feedback in selective visual attention. The role and modulation will be investigated in three levels: within V1 neurons, between visual cortices V1 and MT and among both hemispheres of the bran. In V1, we will directly test the center-surround attentional modulation mode by simultaneously recording several V1 neurons inside or outside the focus of attention. The difference between top-down and bottom-up attentional modulations will be also studied in V1, and further in MT, a higher hierarchical visual cortex processing visual motion signal. In a psychophysical experiment, we will study the attentional effect in the performance of visual position perception task, which involving trans-hemisphere feedback. Our results could be used to distinguish among the different attentional circuits that may be damaged and provide guidance for future treatments.

大脑神经网络是所有大脑功能活动，包括学习、记忆、思维、意识等高级功能的物质基础。研究大脑神经连接，特别是神经反馈连接的作用及其调控机制，对大脑认知研究有重要的科学意义。本项目拟针对神经反馈连接在选择性视觉注意中的作用及调控机制这一关键科学问题，从神经元、不同脑区之间和大脑半球之间三个层次开展研究。在视觉信息传入大脑皮层的第一站-初级视皮层V1区，比较分别由前向及反馈神经连接介导的两类视觉注意类型对神经元对比度反应的调制作用；比较V1和MT两个脑区神经元电活动的特性，研究脑区之间神经元网络的连接及视觉注意对神经网络通路的影响；设计心理物理学实验，研究不同任务难度的内源性视觉注意对完成不同左右半脑协作方式空间感知任务的影响。研究成果有助于明晰基于视觉注意的大脑高效认知机理及这一过程中神经反馈的作用机制,为注意力障碍治疗提供指导，具有重要的理论和应用价值。

人类大脑能够选择性地优先处理行为相关信息而忽略其它次要信息，从而高效利用其有限的处理能力。这种选择性注意的大脑调控机制一直是认知神经科学的重点研究课题。本课题针对选择性视觉注意的作用及调控机制，在神经元、神经回路和大脑半球之间三个层次开展研究。首先采用心理物理学研究手段，围绕着空间注意范围调制和选择性特征注意机制展开研究。视觉空间注意范围的大小能够影响视觉感知及相关行为表现，确定空间注意范围的影响因素并对其进行有效调控非常必要。我们创新性地将改变预提示线索大小与改变视觉目标呈现空间不确定性这两种调控空间注意范围的方式整合在一起，并对这两种方式调制空间注意范围的效果进行直接而系统地比较与分析。我们发现改变目标呈现的空间不确定性比改变预提示线索大小更能有效地调控空间注意范围。我们进一步探究了目标呈现空间不确定性对空间注意范围调制的时程。我们发现不论是中央还是外周预提示线索诱导，目标呈现的空间不确定性对视觉空间注意范围的调制效果均能维持到任务完成；两种视觉注意诱导方式的调制时程不同，为可能涉及的不同调控机制提供了新的实验证据。在此基础上，我们开展了视皮层成对神经元在不同视觉注意焦点及任务难度下，神经元反应特性及反应相关性的清醒动物电生理研究，有望揭示视觉注意在脑区神经回路水平的调制机制。对大脑两半球间不对称合作，视觉空间注意很可能有重要的调控作用。由于左右侧视野信息分别投射到对侧脑初级视皮层，视觉空间感知过程中必然存在大脑两半球的合作。研究表明自我坐标位置信息会影响到基于物体坐标位置判断的反应时间，并且这种影响在左右视野中是不对称的。我们发现在有视觉注意调节的情况下这种不对称性消失，即视觉注意消除了原本左半视野的空间感知弱势，这表明视觉注意可以调制左右脑的信息交流。我们的研究不仅深化与扩展了人们对选择性视觉注意机制的理解，也为后续的相关研究奠定了理论与实验基础。.在基金项目资助下，目前已培养博士研究生2名，发表国际SCI论文8篇，参加国内国际学术会议9次，会议论文6篇。