Science:大脑对颜色和形状视觉信息的编码方式大揭秘

人类在视觉上可以分辨出成千上万种不同的颜色和形状，大脑又是如何处理这些视觉信息的呢？科学家们以前认为视觉系统先通过不同的神经元分别对颜色和形状编码，后期再将它们进行组合。

但Salk研究所2019年6月27日发表于《科学》杂志的一项新研究表明，部分神经元可对一些特定的颜色形状组合产生选择性的反应。这对现有的观念提出了挑战。

图源：groovypost.com

类似于数码相机传感器，眼睛中的光敏细胞（光感受器）检测到特定范围和位置中光的波长信息，然后通过视神经传递至皮层视觉中枢进行翻译并解锁图像的内容。

以前研究者们认为颜色和形状信息是分开提取后，仅在大脑的最高级中枢结合，而Salk研究所的新成果表明这种结合出现得更早。

从左至右依次为Salk研究所的李博士、Edward Callaway教授、Anupam Garg博士

Salk研究所系统神经生物学实验室的Edward Callaway教授提到：“新的基因传感器和成像技术让我们能够更直观地测试颜色和形状的视觉通路之间的联系，这些测试结果为研究大脑中视觉通路如何连接和组合的问题提供了宝贵的线索。”

该研究的第一作者，加利福尼亚大学圣地亚哥分校的Anupam Garg博士说他们的研究目的是更好地理解视觉系统如何处理视觉刺激的颜色和形状，想要用新的成像技术来解决这些已经长期存在的视觉处理问题。

灵长类初级视觉皮层中枢单个神经元的视觉反应

研究者们将成像技术与基因表达的传感器相结合，研究了数千个在初级视觉皮层中枢参与处理颜色和形状信息的单个神经元的功能。长时间的记录过程中，约测试了500个可能的颜色形状组合，以找到最能激活每个视觉反应神经元的刺激。

研究小组发现视觉神经元选择性地对颜色和形状作出反应，有些神经元仅被特定的颜色或形状激活，而另一些神经元同时对特定的颜色和形状作出反应，这一发现与长久以来关于视觉信息处理的观念相反。

研究者们采用稳定的GCaMP6f表达和双光子钙成像技术探测巨大空间和彩色视觉刺激空间，并映射数千个神经元单细胞分辨率的功能性微结构。

相较于消色差刺激，初级视觉皮层神经元对等光颜色刺激更为敏感，且同时具有定向选择性，这说明初级视觉皮层中方向和颜色的通路存在重叠。

单个神经元能够精确、清晰地编码形状和颜色。在这背后，是颜色调谐、定向选择和细胞色素氧化酶组织学之间复杂的系统性关系在起作用。

Callaway实验室的第一作者李博士认为人类大脑通过精密设计的通路来高效地编码视觉信息，并非课堂上所讲的那样，颜色和形状信息在视觉皮层早期处理阶段分开运作后再经未知机制后期整合，而是以一种系统性的路径组合在一起编码。

在过去的20年里，Callaway教授一直致力于了解视觉系统如何处理颜色信息，该研究成果是一个极大的鼓舞，他说到：“这一发现为理解神经环路如何计算得出彩色视觉奠定了基础，我们期待在此基础上确定出视觉皮层中的神经元如何合作提取出颜色和形状信息。”

参考资料：

Anupam K，Garg，Peichao Li，etal.Color and orientation are jointly coded and spatially organized in primate primary visual cortex [J].Science,2019,364(6447):1275-1279.

作者信息

 

编译：Juno（brainnews创作团队）

校审：Simon（brainnews编辑部）

前 文 阅 读

 

---