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人脑早期视觉皮层在意识下解决不可见的视觉冲突

发表日期:2016-06-29 02:28  作者:

2016年6月27日,美国科学院院刊在线发表了生物物理所何生与张朋研究员最新的合作研究成果。论文题目为“Binocular rivalry from invisible patterns”,该研究揭示了人脑在意识下处理冲突的视觉信息的神经机制。张朋课题组的研究生邹金佑同学为论文的第一作者,何生与张朋研究员为论文的通讯作者。

人脑通过处理视网膜接收到的复杂图像信息解读周围的视觉环境。在很多情况下,大脑得到的视觉信息是矛盾的或不充分的,其对应的解释并不唯一,从而使我们的视知觉产生了冲突或不确定性。人脑能够迅速解决视觉冲突,为视觉信息选择当前最有可能的解释,使我们产生清楚的视觉意识。例如在双眼竞争现象中,当两幅不同的图像呈现在双眼视网膜对应的位置上时,形成了矛盾的视觉输入, 我们的大脑会对这种矛盾的视觉信息作出解读和选择,使得同一时间只能意识到来自一只眼的视觉刺激,并且视觉意识会在两眼刺激之间自发的进行切换。研究大脑如何处理不确定的或有多种解释的视觉信息,对理解大脑如何解读感知觉信息有重要意义。

大脑解决视觉冲突的根本原因是什么?是否因为冲突的视觉信息会在意识层面产生多个相互矛盾的解释?当冲突信息变得不可见,即在意识层面没有矛盾的情况下,视觉系统是否还会尝试去解读来自视网膜的有歧义的视觉图像?

实验使用了快速闪烁的红绿光栅作为视觉输入,在30Hz的闪烁频率下,红绿颜色融合为黄色,光栅朝向变得不可见,观察者只能感知到均匀的黄色圆片。研究者通过一系列实验发现,不可见光栅的朝向信息会被早期视觉皮层处理,但无法到达顶叶和额叶的高级脑区。当一对朝向相互垂直的不可见光栅分别呈现在观察者左右眼对应的视网膜位置上时,此时双眼的视觉信息是矛盾的,但观察者的视觉意识是稳定唯一的,只能感知到黄色的圆片。研究者通过一系列实验发现,即使在冲突信息不可见的情况下,受试者的早期视觉皮层仍然通过神经竞争的方式解决了视觉输入的矛盾,视皮层会选择性的处理来自一只眼的视觉信息而抑制来自另一只眼的输入信号,并随时间自发的在两眼之间进行切换。

这些结果说明大脑早级视皮层能够在意识下处理两眼间矛盾的不可见的视觉信息,并且不需要额叶和顶叶等高级认知区域的参与。因此人脑解决视觉信息冲突并不需要矛盾信息表达在意识层面。 该研究团队之前工作发现解决视觉冲突需要注意的参与(Zhang et.al., Neuron, 2011),这和当前的研究结果形成了有趣的对比,说明解决视觉冲突需要注意但并不需要意识相关机制的参与。

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图示:观察者的双眼呈现朝向垂直的快速闪烁的不可见光栅,他意识到的是稳定的黄色圆片。 此时在早期视皮层会通过神经竞争解决两眼视觉信息的冲突,即选择性的处理来自一只眼的视觉信息同时抑制另一只眼的信号。“赢”的信息会交替地来自左右眼并自动地进行切换。

供稿:何生课题组、张朋课题组

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