2022年6月,北京大学IDG/麦戈文脑科学研究所、银河7163官网、北大-清华生命科学联合中心方方课题组在国际知名学术期刊《Cerebral Cortex》上在线发表题为“Neural representations of competing stimuli along the dorsal and ventral visual pathways during binocular rivalry”的研究论文,首次揭示了分别呈现在双眼中的不同视觉刺激在人类大脑中的表征演变过程。

当观察者的双眼分别接受不同的视觉图像时,其中一只眼睛所接受的刺激图像会占据个体视觉意识(优势眼),而另一只眼睛的图像则完全无法被觉察(抑制眼)。一段时间后,优势眼和抑制眼会逐渐发生交换,从而使个体的视觉意识内容会在刺激不变的情况下持续发生交替变化。这一现象称为双眼竞争(binocular rivalry)。由于在双眼竞争的过程中,个体主观觉知的切换是在视觉刺激没有发生变化的情况下进行的。因此,其内在神经机制就成为了科学家们探索视觉意识形成奥秘的关键。然而,针对这一问题的过往研究却得出了看似矛盾的结果:一方面,纹外视觉皮层中受到双眼竞争影响的神经元比例远高于初级视觉皮层;另一方面,初级视觉皮层以及外侧膝状体中编码单眼信息的神经活动却随着观察者的主观意识内容的交替而发生相应变化。因此,双眼竞争发生于视觉信息加工的哪个环节,其内部机理又是什么,仍然是困扰着视觉科学家们的重大问题。

探究这一问题的关键在于考察双眼竞争过程中,双眼的刺激信息表征在视觉信息通路的演变过程。为此,研究人员分别在被试的左右眼呈现两个正交朝向的光栅刺激及两个沿相反方向运动的随机点阵,引发两者之间的竞争(双眼竞争条件),并要求被试实时报告其主观觉知的变化。随后,研究人员根据被试的报告复现了被试的知觉交替过程(知觉回放条件)。在此过程中,研究人员采用基于功能性磁共振成像(functional magnetic resonance imaging, fMRI)数据的逆向编码模型(Inverted Encoding Model,IEM),在视觉信息通路的各个关键节点分别重构了双眼各自对应刺激信息的表征,并进行了系统比较。


基于IEM对各眼对应刺激信息表征的重构

研究人员发现,在视觉信息进入大脑皮层的初始阶段,优势眼和抑制眼信息的表征同时存在于初级视觉皮层。随着视觉信息进一步传递至纹外视觉皮层,优势眼信息的表征强度逐渐增加,而抑制眼信息表征的强度则同步减弱。最终,抑制眼的刺激信息表征在腹侧视觉通路被完全抑制,而在背侧视觉通路仍然部分保留。该研究结果首次揭示了双眼竞争过程中,刺激信息的表征由双眼共存逐渐过渡为优势眼主导的演变过程,为全面揭示双眼竞争的内在神经机制做出了关键性的贡献。除此以外,该研究结果也提示我们,腹侧与背侧视觉通路在视觉意识的形成过程中可能具有不同的功能作用。


双眼竞争与知觉回放条件下各视觉区域的朝向表征


双眼竞争与知觉回放条件下各视觉区域的朝向表征

中山大学心理系莫测与银河7163官网鲁君实为该论文的共同第一作者,方方教授为论文的通讯作者。该工作得到了北大-清华生命科学联合中心、科技部、国家自然科学基金委与北京智源人工智能研究院的资助。

全文链接:https://doi.org/10.1093/cercor/bhac238


2022-06-19