【学术快报】方方、饶毅课题组合作进行视觉轮廓整合效应的基因分析

2019年7月30日，European Journal of Human Genetics（《欧洲人类遗传学杂志》）刊发了北京大学方方实验室和饶毅实验室合作发表的研究论文“Heritability of human visual contour integration — an integrated genomic study”，报道了他们在利用基因组学方法探索人类视觉轮廓整合能力的生物基础方面的重要进展。论文第一作者是饶毅实验室的博士毕业生朱子建和陈碧清、方方实验室的博士毕业生娜仁。

轮廓整合(contour integration)指视觉系统将视野中物理上不连续的刺激整合起来形成整体知觉的过程(图1)。轮廓整合是人类和动物的基本知觉能力,是连接初级感觉加工和高级视觉物体知觉间的关键桥梁。在自然环境中，由于遮挡等原因，空间上连续的视觉信息常常不能完整地投射到视网膜上，而依赖轮廓整合能力将碎片式的知觉信息补足以实现物体识别。轮廓整合失败不仅影响正常的知觉加工，还可能在危急情况下对个体生命造成威胁。轮廓整合能力在人类个体之间存在巨大差异，研究发现轮廓整合能力的强弱与多种精神疾病尤其是精神分裂症相关，因此在一定程度上它可以作为精神分裂症的临近表型，为精神分裂症研究提供信息。

图1.轮廓整合例子。（A）黄色散点由于具有相同的颜色属性因而在知觉上易被整合为连续的环状。（B）尽管右向箭头的中间部分被左向箭头遮蔽，但可以被知觉为是完整的剪头。

为考察这一重要性状的生物学基础，本研究对2619名中国大学生被试的轮廓整合能力（实验刺激如图2A）进行了系统研究，使用心理物理法获得了每个被试稳定的知觉整合成绩（图2B），并采用全基因组关联分析（genome-wide association analysis, GWAS）技术考察单个单核苷酸多态性位点（SNP）和基因对轮廓整合的贡献。首先发现常见SNP对轮廓整合的贡献达到49.5%，提示轮廓整合能力具有中等遗传力。进一步，两阶段GWAS研究提示了4个SNP与轮廓整合能力相关（图2C，p < 5×10-8），且发现并验证了两个基因（MIR1178和PABPN1L）与轮廓整合能力的关联关系。其中基因MIR1178在本研究组的同期研究中分别被发现与知觉转换(Chen et al., 2018)及情绪识别能力相关，提示其可能与视知觉能力有重要关系。

图2. 实验刺激及结果。(A)轮廓整合刺激。屏幕上呈现朝向随机的短线，其中特定数目（4-8）的相邻短线按相同朝向排布并组合成朝向为向左或向右45°的线条，如图中红框部分所示（红框在实验时不出现）。(B)轮廓整合朝向判断的心理物理法流程。被试判断每个屏幕中可整合的线条的朝向。(C)探索阶段SNP水平GWAS分析的曼哈顿结果图。横坐标为染色体编号，纵坐标为关联显著性水平，每个点代表一个SNP，其中高于虚线的SNP以红色点表示，代表达到全基因组水平关联显著（p < 5×10-8）。

方方实验室和饶毅实验室在利用基因组学方法探索人类视觉认知的生物基础方面开展了多项合作，结合饶毅实验室的遗传分析特长和方方实验室的视觉认知特长，这是他们的第二篇合作论文。该研究受到国家自然科学基金委、国家科技部、北京科技委和北京大学-清华大学生命科学联合中心资助。合作单位为重庆医科大学。

这是饶毅实验室自2015年以来第五篇人类认知的文章、第四篇人类认知的基因分析文章。第一篇为2016年朱子建等在Cognition杂志上有关人类记忆)，第二篇为2018年陈碧清等在Journal of Human Genetics（《人类遗传学杂志》）有关人类从众行为，第三篇为2018年朱子建、陈碧清等发表于European Journal of Human Genetics（《欧洲人类遗传学杂志》）有关人类记忆，第四篇为2018年饶毅实验室陈碧清和朱子建、方方实验室娜仁合作发表在《神经科学杂志》有关视觉变换的基因分析。

参考文献

Chen, B., Zhu, Z., Na, R., Fang, W., Zhang, W., Zhou, Q., … Rao, Y. (2018). Genomic Analyses of Visual Cognition: Perceptual Rivalry and Top-Down Control. The Journal of Neuroscience, 38(45), 9668–9678. 

https://doi.org/10.1523/JNEUROSCI.1970-17.2018

Zhu, Z., Chen, B., Na, R., Fang, W., Zhang, W., Zhou, Q., … Fang, F. (2019). Heritability of human visual contour integration—an integrated genomic study. European Journal of Human Genetics. https://doi.org/10.1038/s41431-019-0478-2

研究组介绍

饶毅

北京大学讲席教授、理学部主任 

北京大学麦戈文脑科学研究所所长

北京脑科学与类脑研究中心联合主任

实验室研究兴趣：

饶毅实验室用分子生物学、遗传学、生物化学、生物物理学、化学的途径研究神经生物学问题。研究模式生物包括果蝇、小鼠、大鼠和人。

研究组介绍

方方

北京大学心理与认知科学学院院长 

行为与心理健康北京市重点实验室主任

北京大学麦戈文脑科学研究所常务副所长

北大-清华生命科学联合中心高级研究员

实验室研究兴趣：

方方实验室主要利用磁共振成像、高密度脑电、经颅磁刺激、眼动技术、心理物理学和计算模型研究视觉认知过程及其神经机制。目前的研究课题包括物体和面孔识别、视觉适应、皮层可塑性、知觉组织、情境调节、视觉注意和视觉意识。

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北京大学IDG麦戈文脑科学研究所

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