视觉特征编码与注意力编码在灵长类大脑中的复杂交互研究

《SCIENCE ADVANCES》：Distinct attentional characteristics of neurons with visual feature coding in the primate brain

为探究视觉注意力与物体编码关系，研究人员训练猕猴，发现两者存在复杂交互，有助于理解认知过程。

　　在我们的日常生活中，视觉是获取外界信息的重要途径，而视觉注意力和物体识别则是其中极为关键的环节。想象一下，当我们身处热闹的街市，视觉注意力帮助我们在众多的人和物中快速聚焦于想要寻找的目标，比如一家心仪的店铺；而物体识别则让我们能够分辨出不同的事物，像区分行人、车辆和街边的建筑等。然而，尽管这两个过程在我们的认知中如此重要，它们在大脑中的交互机制却一直是个谜团。

目前，科学界对于视觉注意力和物体识别的研究虽然已经取得了不少成果，但对于它们之间交互的具体性质仍知之甚少。众多研究表明，灵长类动物的大脑在处理视觉信息时，视觉注意力和物体识别涉及多个脑区的协同工作，尤其是颞叶皮层在其中起着关键作用。不过，这些脑区之间的相互作用究竟是怎样的，不同神经元在其中又扮演着何种角色，都有待进一步探索。

为了揭开这个谜团，中国科学院深圳先进技术研究院的研究人员展开了深入研究。他们通过训练猕猴进行自由凝视视觉搜索任务，利用自然刺激来模拟真实的视觉场景，对视觉注意力和刺激特征编码之间的相互作用进行了系统的探究。研究成果发表在《SCIENCE ADVANCES》上。

研究人员在这项研究中运用了多种关键技术方法。首先，通过电生理学记录技术，他们从猕猴的多个脑区（如 V4、TEO、TE、眶额叶皮层（OFC）和外侧前额叶皮层（LPFC））记录单个和多单位的电活动，获取神经元的活动信息。其次，利用深度神经网络（DNN）提取视觉特征，通过偏最小二乘法（PLS）回归分析神经元与视觉特征之间的关系，以此来确定视觉特征编码情况。此外，还运用了代表相似性分析（RSA）、格兰杰因果分析等方法，从不同角度探究神经元活动与视觉注意力、物体编码之间的联系。

研究结果如下：

1. 视觉特征编码：研究人员训练猕猴进行自由凝视视觉搜索任务，要求它们在搜索阵列中找到与提示类别匹配的目标。猕猴表现出色，任务准确率较高。研究人员从多个脑区记录了大量神经元，其中部分神经元对视觉刺激有显著反应。通过分析发现，V4、TEO 和 TE 中的部分神经元表现出视觉特征编码，即轴编码，能够对复杂视觉特征进行参数化编码。TE 中轴编码单位的比例最高，且轴编码强度最强，并且这种编码在不同注意力情境和任务中都存在，同时不同脑区之间的神经元对视觉特征的表示具有相似性。
2. 轴编码单位表现出不同的注意力效应：研究人员识别出注意力选择性单位，发现轴编码单位在 TE 中更有可能是注意力选择性单位，而在 V4 和 TEO 中并非如此。在 TE 中，轴编码单位的视觉特征编码强度与注意力指数存在弱但显著的相关性，并且轴编码单位比非轴编码单位表现出更强的注意力效应，这表明在 TE 中注意力编码与视觉特征编码的整合更为明显。
3. 注意力调制神经物体表征：研究人员通过量化神经元群体的表征几何，发现注意力（对目标的注视与对干扰物的注视相比）在后期（150 - 225 毫秒）增加了 V4 和 TE 中轴编码单位的放电率，增强了神经元的距离和角度，使得目标的神经表征更加清晰，有助于目标检测。而且，注意力对轴编码单位的调制作用比非轴编码单位更为显著，且这种调制在早期（50 - 150 毫秒）并不明显，说明注意力在后期阶段增强了模式分离。
4. 轴编码与非轴编码单位的目标诱导去同步差异：通过分析尖峰与局部场电位（LFP）的相干性，研究人员发现轴编码单位在各个脑区的尖峰 - LFP 相干性普遍更强，并且在目标诱导的去同步方面，轴编码单位比非轴编码单位表现更为明显，这表明轴编码单位与注意力神经网络的参与程度更高，也暗示了不同的自上而下的调节作用。
5. 轴编码与非轴编码单位在脑区间的方向性 θ 影响：利用格兰杰因果分析，研究人员发现注意力调制了脑区间的相互作用，且这种调制在轴编码单位中更为显著。无论是尖峰对 LFP 的影响，还是 LFP 对尖峰的影响，轴编码单位与非轴编码单位都存在差异，进一步证明了轴编码单位在注意力处理过程中的独特作用。

研究结论和讨论部分指出，本研究揭示了灵长类大脑中视觉特征编码和注意力编码之间存在复杂的相互作用。TE 中表现出视觉特征编码的单位对注意力调制的反应更强，注意力增强了刺激的神经元模式分离，且这种增强在轴编码单位中更为明显。研究还发现了两个处理阶段，早期神经元主要处理视觉特征，后期主要进行注意力调制。此外，研究结果与多种理论和模型相契合，为理解视觉搜索、注意力机制以及认知控制提供了重要的神经证据，也为未来研究这些过程如何影响行为和认知功能奠定了基础，对进一步探索灵长类和人类的注意力及认知控制具有重要意义。