eLife：唐世明组发现猕猴视觉皮层V4中表征中等复杂度形状特征的功能区

视觉的形状信息主要由大脑视觉皮层的腹侧通路（V1-V2-V4-IT）处理，这个过程中发生了由简到复杂的特征整合。初级视皮层V1主要编码简单、局部的特征如线段的朝向，而较高级的皮层IT主要编码较为复杂、整体的特征如物体类别。而这些视觉皮层的功能构建，如V1中的朝向区和IT中的特征柱也已广为人知。然而，对于位于它们中间的视皮层V4，虽然人们已经知道V4的神经元可以编码中等复杂度的特征，但并不知道这些特征是否也由特定功能区编码，V4的功能构建也未被完全揭示。

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北京大学生命科学学院、北大-清华生命科学联合中心、北京大学IDG麦戈文脑科学研究所唐世明团队在Elife杂志上发表题为“Clustered functional domains for curves and corners in cortical area V4”的论文。该研究应用清醒猴双光子钙成像技术，在皮层层面和细胞层面发现和证明了猕猴V4皮层中存在编码圆弧和角这类中等复杂度特征的功能区。

（A）腹侧视觉通路; （B）皮层上的“圆弧区”和“角区”； 

（C）神经元分布及示例神经元

研究组在前期工作中测量了V4神经元对于大量随机自然图片的反应，通过降维和聚类分析，发现存在大量对圆弧和对角特异性响应的神经元，而且这些神经元在空间上聚集。本研究中，研究组直接使用含有圆弧和角的几何图形刺激集，用双光子成像扫描了猕猴V4的一大片区域，发现了一些区域可被圆弧或者角特异性激活。研究组又直接测量了这些区域中的神经元，发现其中的大部分神经元，都对圆弧或角选择性反应，而且这种选择性不能单纯用局部朝向或者朝向不连续解释。研究组又测量了神经元对介于圆弧和角之间的折线形的反应，发现这些神经元不仅仅通过局部朝向的简单加和来编码和区分圆弧与角，而是对曲线整体的平滑性敏感。这说明复杂特征的视觉编码不能用简单的前馈加和来解释，特征功能区的形成也应依赖复杂的水平连接。

总而言之，研究组在猕猴中间视皮层V4中发现了编码圆弧和角的功能区，为视觉形状特征的处理过程补充了一块剩余的拼图，即中间复杂度形状特征的表征。这个发现帮助完善了研究组对于由简单到复杂的视觉信息整合过程的认知。同时，由于自然环境中动物往往含有较多的平滑弧线，而静物如石头、树枝有更多的棱角，圆弧区和角区的明显分离可能有助于动物对自然物体的分类处理和响应。

北京大学生命科学学院、北京大学IDG麦戈文脑科学研究、北大-清华生命科学联合中心唐世明研究员为该论文的通讯作者。北京大学生命科学学院博士研究生江润东为该论文的第一作者。该研究工作得到了国家自然科学基金、科技部、北京市科委和北大-清华生命科学联合中心的资助。

研究组介绍

唐世明：

北京大学生命科学学院研究员，博士生导师。入选中国神经科学重大进展，入选新世纪“百千万人才工程”国家级人选，获第九届中国青年科技奖。

实验室研究领域：

视觉是高等动物最重要的感知通道，人类获取的信息80%以上来自视觉。视觉认知神经机制研究对于理解大脑智能的奥秘，构建类脑计算、实现人工智能技术突破，均有重要科学意义。视觉系统的复杂性，源于视觉皮层神经环路的复杂性。由于技术的限制，我们对人类视觉系统环路机制的了解仍然非常有限。

精确到单个神经元的神经环路解析，将能提供脑皮层神经元编码功能及其相互间的连接和计算关系，这是系统神经科学家长久以来的梦想，也是实现类脑计算、突破人工智能的关键和基础。近几年，随着在体双光子成像、光遗传等新技术涌现，使得这一梦想有可能成为现实，2015年，美国脑计划斥资1亿美元，启动首个专项脑皮层网络计划（MICrONS），使得精细的神经线路绘制成为脑科学竞争新的至高点。

我们实验室建立了首个清醒猴双光子成像系统，能以单细胞分辨率检测大量神经元对视觉刺激的反应，分析其视觉信息编码。该项技术，可以应用在各个不同脑区，包括初级到高级视皮层、前额叶等，以及各种脑认知功能研究，比如客体识别、选择性注意、工作记忆等的神经机制研究。双子显微镜还可以进行高分辨率的树突成像，获得目标神经元在视觉信息处理中的输入输出和计算关系。利用树突成像、光遗传等新技术，可以获得单个神经元的局部神经线路，并绘制猕猴视觉皮层的精细神经线路，最终理解脑认知信息处理基本原理，并为类脑计算及新一代人工智能研究提供有突破性的概念和生物学基础。

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