【腦客中國】余聰 用雙光子鈣成像研究清醒猴初級(jí)視覺皮層神經(jīng)元的反應(yīng)特性

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感謝《腦客中國》平臺(tái)、感謝羅躍嘉老師的邀請(qǐng)。今天我分享的題目是《用雙光子鈣成像研究清醒猴初級(jí)視覺皮層神經(jīng)元的反應(yīng)特性》。

我們實(shí)驗(yàn)室主要從事人類視覺的心理物理學(xué)研究，以實(shí)驗(yàn)心理學(xué)或者心理物理學(xué)的技術(shù)手段來探究人類視覺過程，主要是視覺訓(xùn)練和知覺學(xué)習(xí)。

另外近幾年我們和北大生科院唐世明教授合作，用雙光子鈣成像技術(shù)研究清醒猴的視覺皮層神經(jīng)元活動(dòng)。

01視覺神經(jīng)研究的經(jīng)典方法

大家對(duì)大腦視覺神經(jīng)研究了解的可能不多，所以希望我的講解能為大家增添一點(diǎn)這方面的理解。

即使近些年腦科學(xué)的發(fā)展已經(jīng)日新月異了，但有些經(jīng)典的視覺研究方法卻仍未過時(shí)。

比如有150多年歷史的心理物理研究，通過給予一前一后兩個(gè)刺激，讓被試進(jìn)行朝向辨別，判斷哪個(gè)刺激更加順時(shí)針。通過改變前后刺激的角度差異，可得到視覺朝向辨別閾值。

在訓(xùn)練前閾值可能是6°，訓(xùn)練后朝向辨別的準(zhǔn)確性就會(huì)所有改善，降為4°，這是一個(gè)知覺學(xué)習(xí)的過程。

知覺學(xué)習(xí)研究可以在行為水平上理解大腦可塑性，在醫(yī)療和國防上都有較為重要的應(yīng)用。

此外在4-5年前，我和北大生科院唐世明老師合作，開始利用雙光子鈣成像在清醒猴做視覺皮層方面的一些研究。

猴子頭顱較大，且控制清醒猴子頭部移動(dòng)較為困難。唐世明老師經(jīng)過多年的研究才解決了這些難題。到目前為止，我們?nèi)允侨蛭ㄒ荒芾秒p光子鈣成像技術(shù)在清醒猴上做視覺皮層神經(jīng)元研究的科研團(tuán)隊(duì)。

02客體識(shí)別的早期神經(jīng)機(jī)制

我們利用這一先進(jìn)技術(shù)來了解一個(gè)基本的視覺問題：客體識(shí)別的早期神經(jīng)機(jī)制是什么？

比如我們看一張圖，我們就可以通過圖片特征歸納出圖片信息。然而，從開始看到這張圖到信息處理后從大腦輸出，這期間的神經(jīng)狀態(tài)及神經(jīng)功能的改變我們是不清楚的。

傅立葉定理提到：任何連續(xù)周期信號(hào)都可以由一組適當(dāng)?shù)恼仪€組合而成。

表征正弦曲線的三個(gè)主要指標(biāo)是頻率、相位、波幅。用不同空間頻率的正弦光柵可以將正弦曲線轉(zhuǎn)換成明暗有序的光信號(hào)。

將這種黑白相間的光信號(hào)進(jìn)行傅立葉轉(zhuǎn)換，就可以將光信號(hào)在傅立葉空間表達(dá)成一個(gè)點(diǎn)。點(diǎn)與原點(diǎn)的距離表征空間頻率的大小——頻率越高，點(diǎn)與原點(diǎn)的間距越??；頻率越低，點(diǎn)與原點(diǎn)的間距越大。

我們常見的刺激信號(hào)的正弦曲線是水平延展的，但當(dāng)信號(hào)朝向變?yōu)樨Q直或傾斜時(shí)，通過傅立葉轉(zhuǎn)換形成的點(diǎn)的排列方向與信號(hào)朝向成垂直關(guān)系。

一幅圖像可以通過傅立葉轉(zhuǎn)換成不同空間頻率和朝向的能量，這些能力信息也可以通過反傅立葉轉(zhuǎn)換重建該圖像。

電視機(jī)成像就是利用這種原理。

信號(hào)刺激的朝向和空間頻率是兩種最基本的視覺特征。

視覺神經(jīng)科學(xué)的起始也是將大腦是如何表征這兩種基本視覺特征作為重點(diǎn)研究?jī)?nèi)容之一。

03視覺系統(tǒng)神經(jīng)傳導(dǎo)機(jī)制

介紹了那么多背景知識(shí)，讓我們回到正題，即大腦的早期視覺通路是怎樣工作的。

外界圖像通過眼球內(nèi)的晶狀體投射到視網(wǎng)膜，經(jīng)視網(wǎng)膜上的視桿、視錐細(xì)胞兩種光感受器轉(zhuǎn)換為神經(jīng)電位。

神經(jīng)電位由視網(wǎng)膜神經(jīng)節(jié)細(xì)胞投射到丘腦外側(cè)膝狀核（LGN），換元后再投射到大腦皮層。

不管是視網(wǎng)膜神經(jīng)節(jié)細(xì)胞還是丘腦LGN細(xì)胞的感受野都是同心圓結(jié)構(gòu)，這意味著這些細(xì)胞對(duì)光刺激的朝向是無選擇性的。

上世紀(jì)五十年代末六十年代初哈佛大學(xué)Hubel和Wiesel的研究表明，在初級(jí)視覺皮層V1區(qū)，大部分神經(jīng)元的感受野結(jié)構(gòu)呈長(zhǎng)條狀，這意味著該區(qū)域的神經(jīng)元開始有朝向選擇性。

下面我會(huì)舉些有趣的例子跟大家分享。

注：上述內(nèi)容在征得余聰老師同意后，在不改變?cè)獾那闆r下進(jìn)行的部分文字整理。觀看完整視頻內(nèi)容請(qǐng)掃描下方二維碼。

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