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PNAS:中科院生物物理所何生课题组揭示视觉物体识别皮层反馈机制

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摘要 : 2016年9月26日,国际著名学术期刊《美国国家科学院院刊》杂志在线发表了中国科学院生物物理所何生课题组题为“Temporally flexible feedback signal to foveal cortex for peripheral object recognition ”的最新研究成果。

2016年9月26日,国际著名学术期刊《美国国家科学院院刊》杂志在线发表了中国科学院生物物理所何生课题组题为“Temporally flexible feedback signal to foveal cortex for peripheral object recognition ”的最新研究成果。研究发现人脑在处理外周视野的物体细节时,有一个时间灵活的反馈信号从高级脑区到中央凹视皮层。何生课题组研究生范晓旭为论文第一作者,何生研究员为论文通讯作者。

范晓旭等人的这个研究从多方面考察了中央凹皮层在外周物体处理过程中的作用。实验中,两个物体先在外周视野呈现,然后在不同的时间点于中央视野呈现一个动态视觉噪音,被试需要判断两个外周物体是否完全相同还是略有差异(见附图左)。视觉信息到达初级视觉皮层后会继续向跟高级视皮层传递,假设随后有一个反馈信号从高级区回到中央凹视皮层,如果在这时呈现在中央视野的噪音信号恰好从视网膜到达中央凹视皮层,那么和外周物体相关的反馈信号就会受到干扰,引起被试做物体辨别任务的准确性变差。实验结果表明:(1)在外周物体出现后250ms 呈现的中央噪音会特异的影响被试对物体的辨别。(2)只有当外周视野的任务涉及到物体的精细空间结构时中央凹视皮层才会起到重要作用。外周视野处理运动和低空间频率信息时信号不反馈到中央凹皮层。(3)中央凹视皮层经反馈信号参与外周物体处理的时间窗是灵活的。当两个外周物体角度不一致,需要进行心理旋转的时候,反馈信号的作用时间窗随着物体角度差异的增大而向后移 (见附图右)。这说明这个反馈处理不是一个自动在固定时间触发的过程,而只有当视觉物体的细节信息需要处理的时候,反馈信号才会到达中央凹皮层。(4)磁共振实验表明,中央凹视皮层表征的不仅是物体的类别信息,也包含了物体的图形信息。

众多的研究表明大脑中信息的加工处理过程涉及到不同脑区之间前馈和反馈相互作用。这个新的研究阐明了在视觉物体处理中什么类别的信息以及何种任务会依赖反馈信号,并进一步显示了反馈信号的动态过程。为什么源于外周物体的反馈信号会回到非直接投射的中央凹视皮层?这个研究提供了一个可能的解释:中央凹皮层通常用于处理精细的视觉信息,而正常情况下人会很快通过移动眼睛注视来把需要仔细查看的物体放在中央视野来观察;所以当需要处理外周物体细节的时候,反馈信号会返回到中央凹皮层,因为下一刻中央凹皮层确实会接收到该物体的直接投射。

PNAS:中科院生物物理所何生课题组揭示视觉物体识别皮层反馈机制
图示: (左)两个物体呈现100 ms,动态的噪音图案分别在不同的SOA呈现83 ms,被试需要回答出现在对角线的两个物体是相同的还是不同的。(右)当两个物体的角度差异等于0°、40°和80°的时候,分别是于 250、450和550 ms 呈现的噪音对被试的辨别能力(d')产生显著影响(趋势如黄色虚线所示)。粉色虚线表示空间注意对被试的影响,它的效果随着呈现时间的延迟而逐渐减弱。

原文链接:

Temporally flexible feedback signal to foveal cortex for peripheral object recognition

原文摘要:

Recent studies have shown that information from peripherally presented images is present in the human foveal retinotopic cortex, presumably because of feedback signals. We investigated this potential feedback signal by presenting noise in fovea at different object–noise stimulus onset asynchronies (SOAs), whereas subjects performed a discrimination task on peripheral objects. Results revealed a selective impairment of performance when foveal noise was presented at 250-ms SOA, but only for tasks that required comparing objects’ spatial details, suggesting a task- and stimulus-dependent foveal processing mechanism. Critically, the temporal window of foveal processing was shifted when mental rotation was required for the peripheral objects, indicating that the foveal retinotopic processing is not automatically engaged at a fixed time following peripheral stimulation; rather, it occurs at a stage when detailed information is required. Moreover, fMRI measurements using multivoxel pattern analysis showed that both image and object category-relevant information of peripheral objects was represented in the foveal cortex. Taken together, our results support the hypothesis of a temporally flexible feedback signal to the foveal retinotopic cortex when discriminating objects in the visual periphery.

doi: 10.1073/pnas.1606137113

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