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科研进展

 

方方课题组在Journal of Neuroscience发文揭示注意优先图的神经机制

 

201813日,神经科学期刊》(Journal of Neuroscience)刊发了生命中心北京大学心理与认知科学学院和麦戈文脑科学研究所方方课题组的研究论文Attention Priority Map of Face Images in Human Early Visual Cortex,报道了该课题组采用功能性核磁成像技术(fMRI)和眼动追踪技术(eye tracking)研究自然刺激注意优先图的神经机制所取得的重要进展。论文的共同第一作者是课题组博士研究生莫测课题组博士后何东军博士(现成都医学院副教授,方方与莫测为本文的共同通讯作者

视觉加工是人类大脑最基本最重要的认知机能之一。然而,面对海量的视觉输入信息, 视觉系统的信息处理能力是有限的。这意味着视觉系统必须在注意的引导下,对信息进行选择,将有限的神经资源集中于输入图像中与认知行为最紧密相关的部分进行优先加工。相关注意计算理论认为,视觉系统首先基于刺激的显著性(saliency)和任务相关性(task relevance)这两部分信息形成一个拓扑表征,称为注意优先图(attention priority map),随后根据注意优先图对神经资源进行分配并引导后继知觉行为。前人研究在视觉系统多个层级的脑区,包括初级视觉皮层(V1)、顶内沟(intra-parietal sulcus)、额叶眼区(frontal eye field)等都发现了注意优先图相关的神经活动。然而,以往研究仅仅涉及了由简单特征构成的人工刺激,迄今尚未有研究对自然刺激注意优先图的神经机制进行探讨。

探究注意优先图的神经机制的关键在于检验刺激在视觉系统中的拓扑表征与知觉行为模式之间的一致性。然而,自然刺激的神经表征往往较为复杂,而且用传统心理物理学指标刻画加工自然刺激的知觉行为模式难度较大。为了解决这些问题,方方课题组要求被试针对三种类型的面孔刺激图片(正立面孔、倒立面孔、相位打乱面孔)进行一个简单的图片匹配任务,即判断当前图片是否与上一张相同(图1)。 研究人员基于DumoulinWandell所提出的群感受野模型重构了面孔刺激的拓扑表征,以任务中刺激出现后首次眼跳的落点位置刻画了加工面孔刺激的知觉行为模式,并通过计算Precision-Recall曲线下面积(area under curve)来量化刺激拓扑表征与首次眼跳落点模式的一致性(图2)。研究发现,面孔刺激在早期视觉皮层(V1V2/3)的拓扑表征与首次眼跳落点模式具有高度一致性,说明早期视觉皮层形成了面孔刺激的注意优先图。在V1中,正立面孔和倒立面孔的拓扑表征与首次眼跳落点模式的一致性程度没有显著差异,说明初级视觉皮层的注意优先图受刺激图像的空间结构影响较小,很可能是因为其神经活动主要编码刺激的物理属性(Zhang 等, 2012)。然而,在V2/3中,正立面孔表征与首次眼跳落点模式的一致性显著高于倒立面孔,说明纹外视觉皮层形成的注意优先图受到刺激图像的空间结构的影响。本研究不仅率先揭示了自然刺激注意优先图在早期视觉皮层的神经机制,同时还首次揭示了除物理特异性和任务相关性以外,影响注意优先图的另一关键性因素-刺激图像的空间结构,为注意优先图理论做出了重要拓展和补充。

该研究受到国家自然科学基金委国家科技部和北京大学-清华大学生命科学联合中心资助。

 




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