近日，中國(guó)科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院（簡(jiǎn)稱“深圳先進(jìn)院”）腦認(rèn)知與腦疾病研究所黃艷團(tuán)隊(duì)與中國(guó)科學(xué)院生物物理所陳霖院士團(tuán)隊(duì)的最新合作研究成果，以“A subcortical magnocellular pathway is responsible for the fast processing of topological properties of objects: A transcranial magnetic stimulation study”為題，在線發(fā)表于腦成像領(lǐng)域頂刊Human Brain Mapping上。該研究通過經(jīng)顱磁刺激TMS的研究發(fā)現(xiàn)，人類視覺系統(tǒng)通過皮層下大細(xì)胞通路快速處理物體的拓?fù)湫再|(zhì)，從而實(shí)現(xiàn)高效的物體識(shí)別。中科院生物物理所的王文博為文章第一作者，陳霖院士為文章的共同通訊作者，深圳先進(jìn)院的黃艷為最后通訊作者。
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原文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/hbm.26162
在復(fù)雜的環(huán)境中，快速地識(shí)別周圍的物體對(duì)于生存至關(guān)重要。在視知覺的研究中，如何在視覺過程的初期快速形成對(duì)物體的知覺是一個(gè)非常基礎(chǔ)并且重要的課題。早在1982年的一篇Science文章中，陳霖院士團(tuán)隊(duì)首次提出物體的拓?fù)湫再|(zhì)是視覺系統(tǒng)首先抽提的一種基本屬性。物體的拓?fù)湫再|(zhì)是基于拓?fù)鋵W(xué)定義下的幾何性質(zhì)，拓?fù)鋵W(xué)也被形象地稱為橡皮薄膜上的數(shù)學(xué)。一張橡皮薄膜在任意連續(xù)形變（除了撕破，撕裂和粘貼）的過程中拓?fù)湫再|(zhì)保持不變，而薄膜被扯破出現(xiàn)洞的時(shí)候拓?fù)湫再|(zhì)就發(fā)生了變化。先前大量的行為實(shí)驗(yàn)支持了拓?fù)湫再|(zhì)的優(yōu)先加工，如優(yōu)先于顏色、朝向等屬性的加工。拓?fù)湫再|(zhì)是如何被優(yōu)先加工的，它的優(yōu)先加工對(duì)物體快速識(shí)別有什么樣的作用？視覺通路一般被認(rèn)為可以分為快速的大細(xì)胞通路和慢速的小細(xì)胞通路，這兩條通路大致對(duì)應(yīng)著皮層的背側(cè)通路和腹側(cè)通路。結(jié)合之前小鼠研究的發(fā)現(xiàn)拓?fù)湫再|(zhì)變化的檢測(cè)發(fā)生在皮層下的上丘核團(tuán)[1]，黃艷等人提出這樣的猜想，可能存在一條皮層下大細(xì)胞通路，這條通路通過首先抽提物體的拓?fù)湫再|(zhì)來實(shí)現(xiàn)物體的快速加工。
研究人員采用單脈沖經(jīng)顱磁刺激TMS，在刺激出現(xiàn)后的不同時(shí)間點(diǎn)作用于初級(jí)視覺皮層V1，以暫時(shí)阻斷視覺信息在皮層的加工。同時(shí)結(jié)合大細(xì)胞通路和小細(xì)胞通路的加工特性，設(shè)計(jì)了偏向大細(xì)胞通路加工的M刺激（低對(duì)比度灰度圖像）以及偏向小細(xì)胞通路加工的P刺激（主觀等亮度紅/綠圖形），見圖1。研究發(fā)現(xiàn)，在視覺加工初期（30 ms）以及晚期（135-170 ms），TMS對(duì)V1的阻斷都會(huì)明顯干擾形狀等非拓?fù)湫再|(zhì)的識(shí)別（圖1C）；然而，在視覺過程初期TMS對(duì)V1的阻斷沒有對(duì)M刺激的拓?fù)湫再|(zhì)的加工造成干擾（圖1B, C）。這提示，拓?fù)湫再|(zhì)的初期加工獨(dú)立于皮層，發(fā)生在皮層下的大細(xì)胞通路。
進(jìn)一步，在實(shí)驗(yàn)二中研究人員利用無意識(shí)的啟動(dòng)范式發(fā)現(xiàn)，皮層下大細(xì)胞通路對(duì)物體的拓?fù)湫再|(zhì)的加工有利于物體的快速識(shí)別。研究人員解釋到，視覺系統(tǒng)可能是通過快速加工物體的拓?fù)湫再|(zhì)，建立一個(gè)粗糙的物體表征，然后再把物體的其他屬性填充到這個(gè)表征里，完成物體的識(shí)別（圖2）。
該研究在探索人類皮層下視覺通路功能上邁出了重要的一步，擴(kuò)充了以往關(guān)于皮層下通路只是加工恐懼等威脅信息的認(rèn)識(shí)。眾多的腦疾病如精神分裂癥、焦慮癥等被報(bào)道皮層下通路功能異常。這一發(fā)現(xiàn)將有助于深入理解相關(guān)腦疾病的發(fā)生機(jī)制，為疾病的早期篩查、客觀診斷和干預(yù)策略提供新的研究思路。
圖1. 實(shí)驗(yàn)流程和刺激圖形
圖2. 拓?fù)湫再|(zhì)的皮層下加工加快物體識(shí)別
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