2016年12月5日，北京大學(xué)心理與認知科學(xué)學(xué)院、麥戈文腦科學(xué)研究所及北大-清華生命科學(xué)聯(lián)合中心方方課題組在Current Biology發(fā)表研究論文“Perceptual learning of contrast detection in the human lateral geniculate nucleus”，證明知覺學(xué)習(xí)可以增強人腦皮層下核團-外側(cè)膝狀體的神經(jīng)活動。論文通訊作者是方方教授，第一作者是生命科學(xué)聯(lián)合中心博士生余親林。研究合作者包括中科院生物物理所張朋研究員，西南大學(xué)邱江教授。
人的大腦在一生中都會受到知覺經(jīng)驗的影響而不斷產(chǎn)生變化。知覺學(xué)習(xí)是一種通過訓(xùn)練，從而提高人類知覺能力的行為范式。該范式已廣泛應(yīng)用于研究成人大腦的可塑性。丘腦是感覺信息處理的關(guān)鍵皮層下腦區(qū)，視、聽、觸等信息都需要經(jīng)過它的中轉(zhuǎn)和變換，再投射到大腦皮層。以往對成人視覺系統(tǒng)可塑性的研究集中在視覺皮層上，發(fā)現(xiàn)了視知覺學(xué)習(xí)的多種神經(jīng)機制，包括信號增益、銳化、易化、降噪和再分權(quán)等。學(xué)術(shù)界通常認為皮層下核團在發(fā)育的關(guān)鍵期后已不具備可塑性，也沒有研究考察知覺學(xué)習(xí)能否導(dǎo)致皮層下核團的神經(jīng)可塑性。
方方課題組采用單眼低對比度棋盤格探測任務(wù)，對人類被試進行長達三十天的知覺訓(xùn)練。在訓(xùn)練過程中，被試的對比度探測閾限逐日遞減。訓(xùn)練完成后，對比度閾限在被試訓(xùn)練眼和訓(xùn)練位置特異性的降低了，證明了該學(xué)習(xí)效應(yīng)的眼特異性與位置特異性。與此同時，丘腦中的外側(cè)膝狀體對訓(xùn)練眼和訓(xùn)練位置的低對比度刺激的BOLD信號強度也特異性增強，而V1, V2 與 V3等視覺皮層在訓(xùn)練前后BOLD信號卻沒有顯著變化。該結(jié)果提示了行為閾限的降低得益于外側(cè)膝狀體對訓(xùn)練眼和訓(xùn)練位置的低對比度刺激敏感性增強，而非V1，V2, V3等較下游視覺皮層的神經(jīng)信號變化。
更進一步地，已知外側(cè)膝狀體內(nèi)有六層神經(jīng)元，外頂部的四層為P細胞，內(nèi)底部的兩層為M細胞。該研究通過采用M與P細胞各自偏好的視覺刺激反復(fù)激活外側(cè)膝狀體，從空間上將這兩類具有不同刺激偏好的細胞分離。
圖1. 分離的M層與P層。第一行是解剖圖，第二行是分層結(jié)果。
分離后發(fā)現(xiàn)，對訓(xùn)練眼和訓(xùn)練位置的低對比度刺激誘發(fā)的BOLD信號增強效應(yīng)只在M層出現(xiàn)，而P層沒有學(xué)習(xí)效應(yīng)，且訓(xùn)練條件的M層對低對比度刺激的BOLD信號增益可以預(yù)測行為的進步量。
圖2. 實驗結(jié)果
這些結(jié)果證明了低對比度探測訓(xùn)練任務(wù)能增強外側(cè)膝狀體的信號。成人知覺學(xué)習(xí)引起的神經(jīng)可塑性不僅僅局限于大腦皮層層面，還可以往上游追溯到皮層下丘腦層面。該研究在國際上首次揭示了知覺學(xué)習(xí)的皮層下核團神經(jīng)機制，為知覺學(xué)習(xí)領(lǐng)域開辟了新的研究方向。
該研究由科技部、國家自然科學(xué)基金委和北京大學(xué)-清華大學(xué)生命科學(xué)聯(lián)合中心資助完成。
2016-12-08