Hum Brain Mapp︱深圳先进院黄艳课题组揭示人类皮层下大细胞视觉通路新功能
撰文︱王文博
责编︱王思珍，方以一
编辑︱夏 叶
皮层下视觉通路通常认为与加工恐惧信息相关，比如当老鹰向小鼠扑来时，小鼠经过皮层下视觉通路的调制会产生本能的逃跑或冻僵的防御性行为。这种对威胁性刺激的本能防御反应对于物种的生存至关重要。视觉系统处理外界的视觉信号过程中，物体的拓扑性质是首先被抽提的一种基本属性，并且，人类视觉对拓扑性质的变化非常敏感[1]。物体的拓扑性质是基于拓扑学定义下的几何性质，例如一张橡皮薄膜在任意连续形变（除了撕破，撕裂和粘贴）的过程中拓扑性质保持不变，而薄膜被扯破出现洞的时候拓扑性质就发生了变化。磁共振成像研究发现，“洞”这种拓扑性质经过皮层下的上丘和丘脑枕进行加工[2]。有研究发现，当视觉信号发生拓扑性质变化时，小鼠的本能恐惧反应行为会明显减弱，上丘的细胞激活数量也明显减少[3]。这提示皮层下通路对恐惧信号的快速检测可能与拓扑性质的加工有关。然而，皮层下通路如何处理物体的拓扑性质，以及拓扑性质的加工过程如何影响皮层下通路对物体的快速识别，均尚不清楚。
2022年11月，中国科学院深圳先进技术研究院，脑认知与脑疾病研究所黄艳团队与中国科学院生物物理所陈霖院士团队的最新合作研究成果，以“A subcortical magnocellular pathway is responsible for the fast processing of topological properties of objects: A transcranial magnetic stimulation study”为题，在线发表于脑成像领域顶刊Human Brain Mapping上。该研究通过经颅磁刺激（Transcranial Magnetic Stimulation，TMS）的研究发现，人类视觉系统通过皮层下大细胞通路快速处理物体的拓扑性质，从而实现高效的物体识别。中科院生物物理所的王文博为文章第一作者，陈霖院士为文章的共同通讯作者，深圳先进院的黄艳为最后通讯作者。
视觉通路一般被认为可以分为快速的大细胞通路（Magnocellular, M通路）和慢速的小细胞通路（Parvocellular, P通路）。由于皮层下区域的细胞（比如上丘表层细胞）表现出类似于大细胞的视觉反应特性，比如对低对比度图像敏感，但是对颜色信息不敏感，因此这类皮层下区域属于皮层下大细胞通路的一部分。研究人员结合大细胞和小细胞的加工特性，设计了偏向大细胞通路加工的M刺激（低对比度灰度图像）以及偏向小细胞通路加工的P刺激（主观等亮度红/绿图形），见图1A。研究人员采用单脉冲经颅磁刺激TMS，在刺激出现后的不同时间点作用于初级视觉皮层V1，以暂时阻断视觉信息在皮层的加工。研究发现，在视觉加工初期（30 ms）以及晚期（135-170 ms），TMS对V1的阻断都会明显干扰形状等非拓扑性质的识别，这一结果在M刺激和P刺激条件下保持一致（图1C）；然而，在视觉过程初期TMS对V1的阻断没有对M刺激的拓扑性质的加工造成干扰（图1D, E）。这提示，拓扑性质的初期加工独立于皮层，发生在皮层下的大细胞通路。
图1. 实验流程和刺激图形
（图源：Wang W, et al., Hum Brain Mapp,2022）
早期一项无意识反应启动实验[4]发现，当启动子和目标子的拓扑性质一致时，无论实验任务是否与拓扑性质有关，都会加快被试对非拓扑性质（朝向或者颜色）的知觉过程。研究人员在实验二中，分别用M刺激和P刺激开展无意识反应启动实验发现，无论实验任务是否与拓扑性质有关，只有在M刺激条件下，启动子和目标子的拓扑性质一致才会加速非拓扑朝向性质的加工（图2）。这表明皮层下大细胞通路对物体的拓扑性质的加工有利于物体的快速识别。
图2. 无意识反应启动实验反应时启动效应结果图
（图源：Wang W, et al., Hum Brain Mapp,2022）
研究人员解释到，视觉系统可能是通过快速加工物体的拓扑性质，建立一个粗糙的物体表征，然后再把物体的其他属性填充到这个表征里，完成物体的识别（图3）。
图3. 拓扑性质的皮层下加工加快物体识别
（图源：Wang W, et al., Hum Brain Mapp,2022）
原文链接：https://doi.org/10.1002/hbm.26162
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[1] Chen L (1982): Topological structure in visual perception. Science (New York, NY) 218:699–700.
[2] Meng Q, Huang Y, Cui D, He L, Chen L, Ma Y, Zhao X (2018): The dissociations of visual processing of “hole” and “no‐hole” stimuli: An functional magnetic resonance imaging study. Brain Behav 8.
[3] Huang Y, Li L, Dong K, Tang H, Yang Q, Jia X, Liao Y, Wang W, Ren Z, Chen L, Wang L (2020): Topological Shape Changes Weaken the Innate Defensive Response to Visual Threat in Mice. Neurosci Bull 36:427–431.
[4] Huang Y, Zhou T, Chen L (2011): The precedence of topological change over top-down attention in masked priming. Journal of Vision 11:9–9.
本文完