脑科学顶刊导读第20期| PNAS：聚焦视觉与神经科学

✎ 顶刊导读目录 
1，NC：空间背景效应限制了初级视觉皮层在簇拥环境中的特征表征2，PNAS：面孔和位置皮层网络中区域特异性起源的连接性3，PNAS：行为中模式完形的眼动支持4，PNAS：主动有效编码解释了双眼视觉的发展及其在弱视中的失败5，PNAS：视觉运动整合系统的中枢神经遗传学特征

1，空间背景效应限制了初级视觉皮层在簇拥环境中的特征表征

期刊：Nature Communications

作者：Niki

当目标刺激被干扰刺激环绕时，人们虽然可以识别目标，但是这种簇拥状态会导致对目标特征辨识力的严重下降。簇拥是视觉编码中的一个基本的难题，有人认为簇拥效应的出现和视觉编码中的空间整合能力有关，也有人认为和注意力的分散有关。对于簇拥效应，目前仍不清楚视觉信息在神经通路的什么阶段丢失，以什么方式丢失。

行为学实验表明恒河猴的视觉功能受簇拥状态的影响与人类相似，因此可以通过记录恒河猴初级视觉皮层的神经元响应，揭示簇拥如何影响大脑皮层的编码。该研究发现干扰因素主要通过影响单个神经元的响应性，造成目标特征信息的丢失。空间整合仿真实验表明单神经元响应性的变化主要表现为除性的抑制，或加性的易化。虽然单个神经元编码被干扰的程度和感受野特性有关，在初级视觉皮层，簇拥导致的视觉特征的丢失并不能通过增加神经元的数量和多样性抵消。

综上所述，该研究表明在视觉皮层加工的第一阶段，空间背景效应基本限制了视觉特征的辨识能力。

https://doi.org/10.1038/s41467-020-15386-7

2，面孔和位置皮层网络中区域特异性起源的连接性

期刊：PNAS  

作者：Loren

三例新生儿（左）和三例成人（右）的ROI

意义：知识从何而来？我们使用面孔和场景的皮层网络，这两个经过充分研究的成人大脑专门“知识”系统的测试案例解决了这个经典问题。

我们发现，新生儿已经表现出区域之间特定领域的功能连接模式，这些模式稍后将发展出成熟的面孔和场景选择性。此外，原始面孔网络显示出与中央凹的功能连接性强于与周围初级视觉皮层的连通性，而原始场景网络显示出相反的模式，表明这些网络接收到不同的视觉输入。

我们的发现支持以下假设：先天连通性先于皮层中特定区域功能的出现，为人类知识起源的古老问题提供了新的思路。

摘要：众所周知，成人大脑包含一系列特定领域的网络。但是这些特定领域的网络如何发展呢？在这里，我们测试了以下假设：大脑在形成特定领域网络之前就形成了连接。

在迄今为止测试过的最小年龄新生儿样本中使用静息态功能磁共振成像，我们发现皮层网络成年后会发展出强大的面孔选择性（包括“原始”枕叶面孔区和梭状回面孔区）和场景选择性（包括“原始“海马旁位置区和压后皮层）的脑区，早在27天（开始于早达6天）就已经显示出功能连接的特定领域模式。

此外，我们测试了这些网络在功能上如何连接到早期的视觉皮层，并发现原始面孔网络显示出与中央凹V1的功能连接性存在有偏，而原型场景网络显示了与外围V1的功能连接性的存在功能偏向。鉴于面孔几乎通过中心凹，而场景总是延伸到整个外围，在功能发展之后，这些不同的输入可以用来促进每个网络中特定于领域的处理，甚至指导特定领域功能的发展。

综上所述，这些发现揭示了生命早期的特定领域和有功能偏向的连通性，这使我们对特定领域皮层网络起源的理解提出了新的约束。

https://www.pnas.org/content/117/11/6163

3，行为中模式完形的眼动支持

期刊：PNAS

作者：Loren   

实验流程及眼动分析

意义：我们经常要从部分输入中识别出熟悉的项目，例如朋友模糊的脸庞。值得注意的是，我们的大脑具有从记忆中“完成”这些视觉稀疏线索的能力。这个被称为“模式补全”的操作，虽然对成功记忆至关重要，但也被认为是记忆错误的基础，因此一个类似的小说情节被错误地认为是“旧的”。

使用眼动监测，我们发现，当呈现新颖的消退提示时，参与者会看到他们在以前对类似物品进行编码时所查看的区域，而这些注视变化与虚警的增加相关。这些发现证明对编码的记忆表示的检索(即，模式完形)是对类似物品的错误警报的基础。

摘要：从简单的提醒中回忆详细事件的能力通过模式完形实现，模式完形是海马执行的一项认知操作，从不完整的输入中检索现有的记忆表征。在行为研究中，模式完形通常是通过对诱饵刺激（即类似物品）的错误认可来推断的。但是，缺乏证据说明这种响应是由于类似的先前编码项目的特定检索而引起。

我们在部分提示识别记忆任务中使用了眼动（EM）技术，通过重新编码相关的眼动或凝视恢复来提供行为上诱饵图像恢复的信息。参与者恢复了模糊的搜索线索后与编码相关的眼动，并且这种恢复与引诱图像的准确性负相关，提示对现有表示的检索（即模式完成）是诱使虚警的基础。我们的发现提供了将凝视恢复与模式完形联系起来的证据，并提高了眼动在记忆检索中的功能作用。

https://doi.org/10.1073/pnas.1917586117

4，主动有效编码解释了双眼视觉的发展及其在弱视中的失败

期刊：PNAS

作者：Loren      

模型架构，其中实线箭头代表感觉信息流，而虚线箭头代表控制命令流

意义：大脑必须以节能的方式运转。有效编码假说指出，感觉系统通过使神经表征适应感觉输入信号的统计信息来实现此目的。然而，重要的是，这些统计数据取决于生物体的行为以及其如何从环境中获取信息。因此，最佳性能需要同时优化神经表征和行为，这一理论称为主动有效编码(Active Efficient Coding)。

本文通过提出双目视觉发展的计算模型来检验该理论的合理性。该模型解释了在健康条件下双眼视觉的准确发展。然而，该模型在屈光不正的情况下发展为弱视状，并提出如何成功治疗。

摘要：在生命的最初几个月中，视力的发展是一个活跃的过程，其中包括学习适当的神经表征和学习准确的眼球运动。尽管长期以来人们一直怀疑这两个学习过程是结合在一起的，但是仍然没有描述这种共同发展的被广泛接受的理论框架。

本文提出了主动双眼视觉发展的计算模型来填补这一空白。该模型基于主动有效编码理论而提出，认为眼动和刺激编码共同适应以最大化整体编码效率。在健康条件下，该模型会自动校准以执行准确的收敛和调节眼球运动。它利用视差提示来推断散焦的方向，导致协调一致的朝向和适应性响应。

在模拟的屈光参差情况下，两只眼睛的屈光度不同，形成类似弱视的状态，其中一只眼睛的中心凹区域由于来自另一只眼睛的输入而被抑制。校正屈光不正后，只有在接受视野仍然具有可塑性的情况下，该模型才能达到健康的性能水平，这与双目视觉发展关键时期的发现一致。

总体而言，我们的模型为理解双目视觉的发展提供了一个统一的概念框架。

https://www.pnas.org/content/117/11/6156

5，视觉运动整合系统的中枢神经遗传学特征

期刊：PNAS

作者：Loren

人脑中视觉运动整合（VMI）系统图

意义：先前的研究已经探索了行为障碍和相应神经网络功能障碍之间的关联。例如，自闭症谱系障碍，Prader-Willi综合征和Dravet综合征的特征是视觉运动整合系统的行为缺陷。迄今为止，很少有研究将脑部连接和基因组数据结合起来以研究儿童神经发育和临床综合征的生物学基础。

本研究提供了与这些综合征相关的功能异常基因（如TBR1，SCN1A，MAGEL2和CACNB4）的表达与致力于整合视觉和运动信息的区域（如枕叶外侧皮质，OP4和顶内沟）之间的皮质分布之间存在联系的证据。我们建议这种基因表达可能是脑网络功能障碍的原因。

摘要：视运动障碍是许多神经系统疾病和神经遗传综合征的特征，例如自闭症谱系障碍（ASD）和Dravet，Fragile X，Prader-Willi，Turner和Williams综合征。尽管最近在系统神经科学方面取得了进步，但与这些临床状况相关的视觉运动功能障碍的生物学基础却知之甚少。

在这项研究中，我们使用神经影像学的方法来绘制人脑中的视觉运动整合（visuomotor integration，VMI）系统图，并研究了VMI网络与艾伦人脑图集（全脑转录组范围的整个皮层遗传表达图集）的拓扑结构相似。我们发现四种基因（TBR1，SCN1A，MAGEL2和CACNB4）的基因表达与人类皮层中的视觉运动整合子显著相关。TBR1基因转录表达与皮层和海马神经发育有关的ASD基因，在VMI系统中显示出中心的空间分布。

我们的发现描绘了人类皮层VMI系统基础的基因表达特征，其中特定基因（例如TBR1）可能在其神经元组织以及神经遗传综合征的特定表型中起核心作用。

https://www.pnas.org/content/117/12/6836

作者信息

 

校审：Freya（brainnews编辑部）

题图：Singularity Hub

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