2022年6月，北京大學(xué)IDG/麥戈文腦科學(xué)研究所、心理與認(rèn)知科學(xué)學(xué)院、北大-清華生命科學(xué)聯(lián)合中心方方課題組在國(guó)際知名學(xué)術(shù)期刊《Cerebral Cortex》上在線發(fā)表題為“Neural representations of competing stimuli along the dorsal and ventral visual pathways during binocular rivalry”的研究論文，首次揭示了分別呈現(xiàn)在雙眼中的不同視覺刺激在人類大腦中的表征演變過程。
當(dāng)觀察者的雙眼分別接受不同的視覺圖像時(shí)，其中一只眼睛所接受的刺激圖像會(huì)占據(jù)個(gè)體視覺意識(shí)（優(yōu)勢(shì)眼），而另一只眼睛的圖像則完全無法被覺察（抑制眼）。一段時(shí)間后，優(yōu)勢(shì)眼和抑制眼會(huì)逐漸發(fā)生交換，從而使個(gè)體的視覺意識(shí)內(nèi)容會(huì)在刺激不變的情況下持續(xù)發(fā)生交替變化。這一現(xiàn)象稱為雙眼競(jìng)爭(zhēng)（binocular rivalry）。由于在雙眼競(jìng)爭(zhēng)的過程中，個(gè)體主觀覺知的切換是在視覺刺激沒有發(fā)生變化的情況下進(jìn)行的。因此，其內(nèi)在神經(jīng)機(jī)制就成為了科學(xué)家們探索視覺意識(shí)形成奧秘的關(guān)鍵。然而，針對(duì)這一問題的過往研究卻得出了看似矛盾的結(jié)果：一方面，紋外視覺皮層中受到雙眼競(jìng)爭(zhēng)影響的神經(jīng)元比例遠(yuǎn)高于初級(jí)視覺皮層；另一方面，初級(jí)視覺皮層以及外側(cè)膝狀體中編碼單眼信息的神經(jīng)活動(dòng)卻隨著觀察者的主觀意識(shí)內(nèi)容的交替而發(fā)生相應(yīng)變化。因此，雙眼競(jìng)爭(zhēng)發(fā)生于視覺信息加工的哪個(gè)環(huán)節(jié)，其內(nèi)部機(jī)理又是什么，仍然是困擾著視覺科學(xué)家們的重大問題。
探究這一問題的關(guān)鍵在于考察雙眼競(jìng)爭(zhēng)過程中，雙眼的刺激信息表征在視覺信息通路的演變過程。為此，研究人員分別在被試的左右眼呈現(xiàn)兩個(gè)正交朝向的光柵刺激及兩個(gè)沿相反方向運(yùn)動(dòng)的隨機(jī)點(diǎn)陣，引發(fā)兩者之間的競(jìng)爭(zhēng)（雙眼競(jìng)爭(zhēng)條件），并要求被試實(shí)時(shí)報(bào)告其主觀覺知的變化。隨后，研究人員根據(jù)被試的報(bào)告復(fù)現(xiàn)了被試的知覺交替過程（知覺回放條件）。在此過程中，研究人員采用基于功能性磁共振成像（functional magnetic resonance imaging, fMRI）數(shù)據(jù)的逆向編碼模型（Inverted Encoding Model，IEM），在視覺信息通路的各個(gè)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)分別重構(gòu)了雙眼各自對(duì)應(yīng)刺激信息的表征，并進(jìn)行了系統(tǒng)比較。
基于IEM對(duì)各眼對(duì)應(yīng)刺激信息表征的重構(gòu)
研究人員發(fā)現(xiàn)，在視覺信息進(jìn)入大腦皮層的初始階段，優(yōu)勢(shì)眼和抑制眼信息的表征同時(shí)存在于初級(jí)視覺皮層。隨著視覺信息進(jìn)一步傳遞至紋外視覺皮層，優(yōu)勢(shì)眼信息的表征強(qiáng)度逐漸增加，而抑制眼信息表征的強(qiáng)度則同步減弱。最終，抑制眼的刺激信息表征在腹側(cè)視覺通路被完全抑制，而在背側(cè)視覺通路仍然部分保留。該研究結(jié)果首次揭示了雙眼競(jìng)爭(zhēng)過程中，刺激信息的表征由雙眼共存逐漸過渡為優(yōu)勢(shì)眼主導(dǎo)的演變過程，為全面揭示雙眼競(jìng)爭(zhēng)的內(nèi)在神經(jīng)機(jī)制做出了關(guān)鍵性的貢獻(xiàn)。除此以外，該研究結(jié)果也提示我們，腹側(cè)與背側(cè)視覺通路在視覺意識(shí)的形成過程中可能具有不同的功能作用。
雙眼競(jìng)爭(zhēng)與知覺回放條件下各視覺區(qū)域的朝向表征
雙眼競(jìng)爭(zhēng)與知覺回放條件下各視覺區(qū)域的朝向表征
中山大學(xué)心理系莫測(cè)與北京大學(xué)心理與認(rèn)知科學(xué)學(xué)院魯君實(shí)為該論文的共同第一作者，方方教授為論文的通訊作者。該工作得到了北大-清華生命科學(xué)聯(lián)合中心、科技部、國(guó)家自然科學(xué)基金委與北京智源人工智能研究院的資助。
全文鏈接：https://doi.org/10.1093/cercor/bhac238
2022-06-19