2018年1月3日，《神經(jīng)科學(xué)期刊》（Journal of Neuroscience）刊發(fā)了北京大學(xué)心理與認(rèn)知科學(xué)學(xué)院和麥戈文腦科學(xué)研究所方方課題組的研究論文“Attention Priority Map of Face Images in Human Early Visual Cortex”，報(bào)道了該課題組采用功能性核磁成像技術(shù)（fMRI）和眼動(dòng)追蹤技術(shù)（eye tracking）研究自然刺激注意優(yōu)先圖的神經(jīng)機(jī)制所取得的重要進(jìn)展。論文的共同第一作者是課題組博士研究生莫測(cè)與課題組博士后何東軍博士（現(xiàn)成都醫(yī)學(xué)院副教授），方方教授與莫測(cè)為本文的共同通訊作者。

視覺(jué)加工是人類(lèi)大腦最基本最重要的認(rèn)知機(jī)能之一。然而，面對(duì)海量的視覺(jué)輸入信息， 視覺(jué)系統(tǒng)的信息處理能力是有限的。這意味著視覺(jué)系統(tǒng)必須在注意的引導(dǎo)下，對(duì)信息進(jìn)行選擇，將有限的神經(jīng)資源集中于輸入圖像中與認(rèn)知行為最緊密相關(guān)的部分進(jìn)行優(yōu)先加工。相關(guān)注意計(jì)算理論認(rèn)為，視覺(jué)系統(tǒng)首先基于刺激的顯著性（saliency）和任務(wù)相關(guān)性（task relevance）這兩部分信息形成一個(gè)拓?fù)浔碚鳎Q(chēng)為注意優(yōu)先圖（attention priority map），隨后根據(jù)注意優(yōu)先圖對(duì)神經(jīng)資源進(jìn)行分配并引導(dǎo)后繼知覺(jué)行為。前人研究在視覺(jué)系統(tǒng)多個(gè)層級(jí)的腦區(qū)，包括初級(jí)視覺(jué)皮層（V1）、頂內(nèi)溝（intra-parietal sulcus）、額葉眼區(qū)（frontal eye field）等都發(fā)現(xiàn)了注意優(yōu)先圖相關(guān)的神經(jīng)活動(dòng)。然而，以往研究?jī)H僅涉及了由簡(jiǎn)單特征構(gòu)成的人工刺激，迄今尚未有研究對(duì)自然刺激注意優(yōu)先圖的神經(jīng)機(jī)制進(jìn)行探討。

探究注意優(yōu)先圖的神經(jīng)機(jī)制的關(guān)鍵在于檢驗(yàn)刺激在視覺(jué)系統(tǒng)中的拓?fù)浔碚髋c知覺(jué)行為模式之間的一致性。然而，自然刺激的神經(jīng)表征往往較為復(fù)雜，而且用傳統(tǒng)心理物理學(xué)指標(biāo)刻畫(huà)加工自然刺激的知覺(jué)行為模式難度較大。為了解決這些問(wèn)題，方方課題組要求被試針對(duì)三種類(lèi)型的面孔刺激圖片（正立面孔、倒立面孔、相位打亂面孔）進(jìn)行一個(gè)簡(jiǎn)單的圖片匹配任務(wù)，即判斷當(dāng)前圖片是否與上一張相同（圖1）。 研究人員基于Dumoulin和Wandell所提出的群感受野模型重構(gòu)了面孔刺激的拓?fù)浔碚鳎匀蝿?wù)中刺激出現(xiàn)后首次眼跳的落點(diǎn)位置刻畫(huà)了加工面孔刺激的知覺(jué)行為模式，并通過(guò)計(jì)算Precision-Recall曲線(xiàn)下面積（area under curve）來(lái)量化刺激拓?fù)浔碚髋c首次眼跳落點(diǎn)模式的一致性（圖2）。研究發(fā)現(xiàn)，面孔刺激在早期視覺(jué)皮層（V1、V2/3）的拓?fù)浔碚髋c首次眼跳落點(diǎn)模式具有高度一致性，說(shuō)明早期視覺(jué)皮層形成了面孔刺激的注意優(yōu)先圖。在V1中，正立面孔和倒立面孔的拓?fù)浔碚髋c首次眼跳落點(diǎn)模式的一致性程度沒(méi)有顯著差異，說(shuō)明初級(jí)視覺(jué)皮層的注意優(yōu)先圖受刺激圖像的空間結(jié)構(gòu)影響較小，很可能是因?yàn)槠渖窠?jīng)活動(dòng)主要編碼刺激的物理屬性（Zhang 等， 2012）。然而，在V2/3中，正立面孔表征與首次眼跳落點(diǎn)模式的一致性顯著高于倒立面孔，說(shuō)明紋外視覺(jué)皮層形成的注意優(yōu)先圖受到刺激圖像的空間結(jié)構(gòu)的影響。本研究不僅率先揭示了自然刺激注意優(yōu)先圖在早期視覺(jué)皮層的神經(jīng)機(jī)制，同時(shí)還首次揭示了除物理特異性和任務(wù)相關(guān)性以外，影響注意優(yōu)先圖的另一關(guān)鍵性因素-刺激圖像的空間結(jié)構(gòu)，為注意優(yōu)先圖理論做出了重要拓展和補(bǔ)充。

該研究受到國(guó)家自然科學(xué)基金委、國(guó)家科技部和北京大學(xué)-清華大學(xué)生命科學(xué)聯(lián)合中心資助。


圖1. 實(shí)驗(yàn)刺激與任務(wù)流程。


圖2. 左）面孔刺激加工的首次眼跳落點(diǎn)模式以及其在早期視覺(jué)皮層的拓?fù)浔碚髦貥?gòu)結(jié)果。
右）量化刺激拓?fù)浔碚髋c首次眼跳落點(diǎn)模式一致性的Precision-Recall曲線(xiàn)。曲線(xiàn)下面積越大，一致性越高。

 

參考文獻(xiàn)

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Xilin Zhang, Zhangping Li, Tiangang Zhou and Fang Fang (2012) Neural activities in V1 create a bottom-up saliency map. Neuron 73:183–192.

2018-01-04