很多年前，貝爾實(shí)驗(yàn)室的Bela Julesz 發(fā)現(xiàn)，如果把林肯總統(tǒng)的肖像畫（圖1A）分成很多格子，再將每個(gè)格子內(nèi)的細(xì)節(jié)替換成平均亮度后，肖像就變得比較難認(rèn)（圖1B）。但是Julesz還發(fā)現(xiàn)，如果再通過(guò)技術(shù)手段把圖1B中的高頻信息(就是圖中那些比較銳利的刺激成分) 給去掉，肖像又變得容易認(rèn)了（圖1C）。 Julesz因此認(rèn)為格子化后的肖像變得難認(rèn)是受到高頻噪音的干擾，并把這一結(jié)果發(fā)表在了Science上（Harmon & Julsez, 1973）。 有意思的是，西班牙畫家達(dá)利（Salvador Dalí）讀到了這篇科學(xué)論文（達(dá)利在創(chuàng)作的不同階段分別受過(guò)視覺科學(xué)和精神分析的影響），于是便有了著名的“Gala Contemplating the Mediterranean Sea which at a distance of 20 meters is transformed into the portrait of Abraham Lincoln” (“距離二十米外看，眺望地中海的嘎娜變成了林肯肖像”，圖1D)。這幅畫的視覺原理是，如果在二十米外看這幅格子畫，畫中的高頻噪音和小尺寸的嘎娜就變得特別高頻，肉眼就看不見了，只能看到林肯。但如果湊近了看，就反過(guò)來(lái)只能看見嘎娜（如果改變手機(jī)或電腦屏幕離眼睛的距離，也能感受到這種變化）。這幅畫的產(chǎn)生過(guò)程是幾百年來(lái)視覺科學(xué)與視覺藝術(shù)相互影響的一個(gè)美妙的例子。
但是事情并沒(méi)有這么簡(jiǎn)單！西澳大利亞大學(xué)的Concetta Morrone, David Burr 和 John Ross 發(fā)現(xiàn)，如果給格子化后的肖像加更多的高頻噪音，肖像也變得更容易認(rèn)了（圖1E），顯然Julesz的結(jié)論并不準(zhǔn)確。Morrone等人認(rèn)為格子化后的肖像變得難認(rèn)，真正的原因可能是某種神經(jīng)機(jī)制可能對(duì)肖像的方格形狀有反應(yīng)，從而破壞了人腦對(duì)肖像的平滑輪廓的識(shí)別；而不管是去掉高頻噪音還是增加更多的高頻噪音都會(huì)破壞這些方格刺激以減弱這些神經(jīng)機(jī)制的效應(yīng)，讓肖像識(shí)別又變得更簡(jiǎn)單。那么這些神經(jīng)機(jī)制是什么呢？
自從哈佛大學(xué)的Hubel 和 Wiesel 兩位電生理學(xué)家在五十年代末六十年代初發(fā)現(xiàn)視覺初級(jí)皮層不同的神經(jīng)元開始對(duì)不同角度的線條有選擇性喜好后，就有一些視覺科學(xué)家推測(cè)視覺皮層還可能存在對(duì)兩條相交線條起反應(yīng)的神經(jīng)元，畢竟不同角度的線條需要經(jīng)常交叉來(lái)形成物體的形狀。這其中尤其是心理物理學(xué)家通過(guò)心理物理實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)大腦非常有可能存在專門對(duì)交叉線條或者格子（圖2A）起反應(yīng)的神經(jīng)機(jī)制?？墒窃陔娚韺W(xué)的單細(xì)胞記錄中，初級(jí)視皮層神經(jīng)元對(duì)最佳角度線條的反應(yīng)卻會(huì)被額外的交叉線條所抑制，顯然這些經(jīng)典的神經(jīng)元并不適合用來(lái)檢測(cè)交叉線條或者格子刺激。那么對(duì)這些交叉線條或者格子刺激的反應(yīng)，是不是只能由更高級(jí)視覺腦區(qū)的神經(jīng)元來(lái)完成，還是初級(jí)視皮層中確實(shí)存在有專門的神經(jīng)元，只是以前的研究沒(méi)有找到而已？
下面的故事特別簡(jiǎn)單：我們（北京大學(xué)唐世明老師和余聰老師）兩個(gè)實(shí)驗(yàn)室這幾年一直在運(yùn)用雙光子鈣成像技術(shù)研究獼猴的初級(jí)視覺皮層神經(jīng)元的反應(yīng)，包括對(duì)交叉線條或者格子刺激的反應(yīng)。雙光子成像技術(shù)可以在單個(gè)神經(jīng)元的精度上，同時(shí)對(duì)數(shù)百個(gè)神經(jīng)元的活動(dòng)進(jìn)行記錄， 相對(duì)于傳統(tǒng)單電極記錄和內(nèi)源性光成像技術(shù)有極大的優(yōu)越性。兩個(gè)實(shí)驗(yàn)室在剛發(fā)表的論文中報(bào)告了獼猴初級(jí)視覺皮層許多專門對(duì)格子刺激起反應(yīng)的神經(jīng)元（圖2）（Guan et al., 2020）。有意思的是，這些神經(jīng)元對(duì)線條或者光柵不怎么反應(yīng)（圖2B中比較平緩的藍(lán)色曲線），而傳統(tǒng)的單電極技術(shù)一般要用線條或者光柵來(lái)找神經(jīng)元，這樣就自動(dòng)把這些對(duì)格子起反應(yīng)的神經(jīng)元給剔除了，所以一直沒(méi)有找到。這些格子神經(jīng)元(plaid neurons)的發(fā)現(xiàn)，給從Julsez到達(dá)利到Morrone等人的關(guān)于林肯肖像的視覺與視覺藝術(shù)的美妙故事又添加了新的內(nèi)容。
圖1
圖2
Guan, S. C., Zhang, S. H., Zhang, Y. C., Tang, S. M., & Yu, C. (2020). Plaid detectors in macaque V1 revealed by two-photon imaging. Current Biology, 10.1016/j.cub.2020.01.005
2020-02-27