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J.NEUROSCI.:猕猴腹侧视觉通路对不同视觉运动特征进行加工和处理的功能构筑和神经机制

来源:中科院上海生命科学院 2012-09-28 12:29

9月26日,《神经科学杂志》在线发表了题为Distinct functional organizations for processing different motion signals in V1, V2, and V4 of macaque的研究论文。这项工作主要由来自中科大的访问博士研究生安旭同学,助理研究员弓洪亮和导师王伟研究员及其实验室其他工作人员共同完成。

视觉运动信号的感知和检测是灵长类动物赖以生存的最重要视觉功能之一。视觉运动信号的组成成分包括运动方向(direction),运动速度(speed)和运动轨迹 (axis of motion),其中运动轨迹体现在运动物体在不同的时间点上连续激活不同的视网膜区域。灵长类初级和次级视皮层(V1和V2)由于具有较小的时空整合感受野,偏好对局部运动信息起反应,往往不能正确表征具有不同图形特征的整体运动方向,即运动感知和计算中著名的“光圈局限性”问题(aperture problem)。另外,在动画片和电影电视中的运动感知中并不涉及物体真正的运动,而是多帧空间位置不同的静止图片或场景,经不同的采样或拍摄速率制作而成(≥24帧/秒)。这种不涉及真正物体空间移动的运动感知,通常被称为“采样运动”(sampled motion)或“快速连线”(speed lines)。非人灵长类各级不同视觉脑区对运动三组分(方向、速度和轨迹)的加工,处理,功能构筑原则和机制的异同至今仍不十分清楚。

结合免疫组化和形态解剖学技术,利用在位内源性信号光学成像技术和数学模拟,对全屏噪音视觉运动刺激进行跨脑区(V1,V2和V4视皮层)同时脑功能成像记录,研究发现在V1,V2和V4视区方位功能构筑中的神经元,不仅能够编码轮廓方位和朝向信息,而且还可以编码运动轨迹和速度信息,二者紧密相关。在运动速度大于2度/秒时,神经元编码的运动轨迹平行于运动方向,而低于2度/秒时, 则编码的运动轨迹垂直于运动方向。但是,在V2视区CO染色深的粗条带中的方向敏感性神经元群体对运动方向偏好的编码与运动速度无关。另外,运用线性时空能量模型可以准确地模拟和预测所观测的实验数据和现象。研究结果和发现揭示,灵长类腹侧视觉系统中的各级方位选择性神经元可以通过感受野线性时空整合机制,编码视网膜上物体运动轨迹和运动速度,进而感知物体运动。该研究进一步提供了除经典运动方向大脑处理机制外的另外一种对物体运动进行线性加工和处理的脑机制,这一线性脑机制不仅有助于帮助解决运动感知和计算中著名的“光圈局限性”问题,也可能是人们观看电影电视和动漫(Cartoon Animation)上各种运动(sampled motion)感知的神经基础。

这项工作由科技部973计划和中国科学院“百人计划”资助(生物谷Bioon.com)

Distinct Functional Organizations for Processing Different Motion Signals in V1, V2, and V4 of Macaque

Xu An, Hongliang Gong, Liling Qian, Xiaochun Wang, Yanxia Pan, Xian Zhang, Yupeng Yang, and Wei Wang

Motion perception is qualitatively invariant across different objects and forms, namely, the same motion information can be conveyed by many different physical carriers, and it requires the processing of motion signals consisting of direction, speed, and axis or trajectory of motion defined by a moving object. Compared with the representation of orientation, the cortical processing of these different motion signals within the early ventral visual pathway of the primate remains poorly understood. Using drifting full-field noise stimuli and intrinsic optical imaging, along with cytochrome-oxidase staining, we found that the orientation domains in macaque V1, V2, and V4 that processed orientation signals also served to process motion signals associated with the axis and speed of motion. In contrast, direction domains within the thick stripes of V2 demonstrated preferences that were independent of motion speed. The population responses encoding the orientation and motion axis could be precisely reproduced by a spatiotemporal energy model. Thus, our observation of orientation domains with dual functions in V1, V2, and V4 directly support the notion that the linear representation of the temporal series of retinotopic activations may serve as another motion processing strategy in primate ventral visual pathway, contributing directly to fine form and motion analysis. Our findings further reveal that different types of motion information are differentially processed in parallel and segregated compartments within primate early visual cortices, before these motion features are fully combined in high-tier visual areas.

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