人類在視覺上可以分辨出成千上萬種不同的顏色和形狀，大腦又是如何處理這些視覺信息的呢？科學(xué)家們以前認(rèn)為視覺系統(tǒng)先通過不同的神經(jīng)元分別對顏色和形狀編碼，后期再將它們進行組合。
但Salk研究所2019年6月27日發(fā)表于《科學(xué)》雜志的一項新研究表明，部分神經(jīng)元可對一些特定的顏色形狀組合產(chǎn)生選擇性的反應(yīng)。這對現(xiàn)有的觀念提出了挑戰(zhàn)。
圖源：groovypost.com
類似于數(shù)碼相機傳感器，眼睛中的光敏細(xì)胞（光感受器）檢測到特定范圍和位置中光的波長信息，然后通過視神經(jīng)傳遞至皮層視覺中樞進行翻譯并解鎖圖像的內(nèi)容。
以前研究者們認(rèn)為顏色和形狀信息是分開提取后，僅在大腦的最高級中樞結(jié)合，而Salk研究所的新成果表明這種結(jié)合出現(xiàn)得更早。
從左至右依次為Salk研究所的李博士、Edward Callaway教授、Anupam Garg博士
Salk研究所系統(tǒng)神經(jīng)生物學(xué)實驗室的Edward Callaway教授提到：“新的基因傳感器和成像技術(shù)讓我們能夠更直觀地測試顏色和形狀的視覺通路之間的聯(lián)系，這些測試結(jié)果為研究大腦中視覺通路如何連接和組合的問題提供了寶貴的線索。”
該研究的第一作者，加利福尼亞大學(xué)圣地亞哥分校的Anupam Garg博士說他們的研究目的是更好地理解視覺系統(tǒng)如何處理視覺刺激的顏色和形狀，想要用新的成像技術(shù)來解決這些已經(jīng)長期存在的視覺處理問題。
靈長類初級視覺皮層中樞單個神經(jīng)元的視覺反應(yīng)
研究者們將成像技術(shù)與基因表達(dá)的傳感器相結(jié)合，研究了數(shù)千個在初級視覺皮層中樞參與處理顏色和形狀信息的單個神經(jīng)元的功能。長時間的記錄過程中，約測試了500個可能的顏色形狀組合，以找到最能激活每個視覺反應(yīng)神經(jīng)元的刺激。
研究小組發(fā)現(xiàn)視覺神經(jīng)元選擇性地對顏色和形狀作出反應(yīng)，有些神經(jīng)元僅被特定的顏色或形狀激活，而另一些神經(jīng)元同時對特定的顏色和形狀作出反應(yīng)，這一發(fā)現(xiàn)與長久以來關(guān)于視覺信息處理的觀念相反。
研究者們采用穩(wěn)定的GCaMP6f表達(dá)和雙光子鈣成像技術(shù)探測巨大空間和彩色視覺刺激空間，并映射數(shù)千個神經(jīng)元單細(xì)胞分辨率的功能性微結(jié)構(gòu)。
相較于消色差刺激，初級視覺皮層神經(jīng)元對等光顏色刺激更為敏感，且同時具有定向選擇性，這說明初級視覺皮層中方向和顏色的通路存在重疊。
單個神經(jīng)元能夠精確、清晰地編碼形狀和顏色。在這背后，是顏色調(diào)諧、定向選擇和細(xì)胞色素氧化酶組織學(xué)之間復(fù)雜的系統(tǒng)性關(guān)系在起作用。
Callaway實驗室的第一作者李博士認(rèn)為人類大腦通過精密設(shè)計的通路來高效地編碼視覺信息，并非課堂上所講的那樣，顏色和形狀信息在視覺皮層早期處理階段分開運作后再經(jīng)未知機制后期整合，而是以一種系統(tǒng)性的路徑組合在一起編碼。
在過去的20年里，Callaway教授一直致力于了解視覺系統(tǒng)如何處理顏色信息，該研究成果是一個極大的鼓舞，他說到：“這一發(fā)現(xiàn)為理解神經(jīng)環(huán)路如何計算得出彩色視覺奠定了基礎(chǔ)，我們期待在此基礎(chǔ)上確定出視覺皮層中的神經(jīng)元如何合作提取出顏色和形狀信息。”
參考資料：
Anupam K，Garg，Peichao Li，etal.Color and orientation are jointly coded and spatially organized in primate primary visual cortex [J].Science,2019,364(6447):1275-1279.
作者信息
編譯：Juno（brainnews創(chuàng)作團隊）
校審：Simon（brainnews編輯部）
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