北大Cell子刊挑战20年主流观点

　　

生物通报道：来自北京大学心理学系和机器感知与智能教育部重点实验室，美国明尼苏达大学等处的研究人员发表了题为“Opposite modulation of high- and low-level visual aftereffects by perceptual grouping”的文章，利用心理物理学适应技术研究人类视皮层信息编码取得了新进展，这不仅为视觉信息的预测编码理论提供了第一个心理物理学证据，而且也挑战了近二十年来知觉组织研究的一个主流观点。相关成果公布在Current Biology杂志上。

文章的通讯作者是北京大学方方教授，第一作者是心理学系硕士生何东军。研究合作者是美国明尼苏达大学心理学系Daniel Kersten教授。这项研究由科技部、国家自然科学基金委和北京大学-清华大学生命科学联合中心资助完成。

大脑对信息编码和传递主要是通过神经元的脉冲发放实现的，神经元的这些活动对能量的消耗很大。据理论估计，大脑中不会有超过百分之一的神经元同时发放。这种能量消耗对神经活动的约束使得大脑必须对信息进行高效编码。

高效编码在理论上主要有两种形式，第一种是单个脑区的稀疏编码，即信息由该脑区内少数神经元的发放来编码。第二种是多脑区间的预测编码，即信息由尽量少的脑区根据认知任务不同进行编码。虽然稀疏编码已经有来自神经生理学的证据，但支持预测编码的实验证据却不多。

在这篇文章中，研究人员通过测量知觉组织对高级和低级视觉后效的调节作用，来探讨人类视皮层的预测编码机制。研究发现，当人类视觉系统将多个简单的局部视觉特征组织为一个复杂的整体视觉形状时，高级形状后效(shape aftereffect)增强，但低级的倾斜后效(tilt aftereffect)和对比度阈限升高后效(contrast threshold elevation aftereffect)却降低。

这些结果表明，当高级形状加工区知觉到视觉形状时，向负责简单视觉特征加工的低级视皮层发送预测性反馈，这种反馈是抑制性的，从而降低低级视皮层的神经活动，实现多脑区间的高效编码。进一步的双眼间迁移实验表明，这种来自高级视皮层的抑制性反馈可以传递到初级视皮层的单眼神经元。

这项研究的意义是，它不仅揭示了初级视皮层的新功能，为视觉信息的预测编码理论提供了第一个心理物理学证据，而且挑战了近二十年来知觉组织研究的一个主流观点，即认为知觉组织增强视觉加工各个阶段的神经活动的观点。

今年1月，方方教授研究组还在Neuron杂志上发表文章，证明了人类的初级视皮层可以在视觉信息加工的非常早期阶段，生成视觉显著图，用以引导空间选择性注意的分布。这一发现挑战了传统注意理论。

（生物通：万纹）

原文摘要：

Opposite Modulation of High- and Low-Level Visual Aftereffects by Perceptual Grouping

A fundamental task of visual perception is to group visual featuressometimes spatially separated and partially occludedinto coherent, unified representations of objects. Perceptual grouping can vastly simplify the description of a visual scene and is critical for our visual system to understand the three-dimensional visual world. Numerous neurophysiological and brain imaging studies have demonstrated that neural mechanisms of perceptual grouping are characterized by the enhancement of neural responses throughout the visual processing hierarchy, from lower visual areas processing grouped features to higher visual areas representing objects and shapes from grouping [1,2,3]. In a series of psychophysical adaptation experiments, we made the counterintuitive observation that perceptual grouping amplified the shape aftereffect but meanwhile, reduced the tilt aftereffect and the threshold elevation aftereffect (TEAE). Furthermore, the modulation of perceptual grouping on the TEAE showed a partial interocular transfer. This finding suggests a 2-fold effect of perceptual groupingenhancing the high-level shape representation and attenuating the low-level feature representation even at a monocular level. We propose that this effect is a functional manifestation of a predictive coding scheme [4,5,6,7,8] and reflects an efficient code of visual information across lower and higher visual cortical areas.


作者简介：

方方
北京大学心理学系教授, 博士生导师。1997年和2001年分别从北京大学心理学系和智能科学系毕业，获理学学士和工学硕士学位。2006年毕业于美国明尼苏达大学心理学系，获哲学博士学位。2006年至2007年继续在明尼苏达大学心理学系从事博士后研究。2007年入选北京大学“****”，2009年获国家杰出青年科学基金，2011年获第十二届中国青年科技奖。方方教授主要利用脑成像技术、心理物理学和计算模型研究视知觉、意识、注意和它们的神经机制。目前在国际学术刊物上发表论文多篇，包括Nature Neuroscience、Neuron、Current Biology、Proceedings of the National Academy of Sciences USA 和 Journal of Neuroscience等权威性杂志。这些论文被Nature Neuroscience、Neuron、Current Biology、Journal of Neuroscience、中国科学和中国基础科学等杂志专文评述。

方方教授担任北京大学-清华大学生命科学联合中心研究员、北京大学机器感知与智能教育部重点实验室教授、国家自然科学基金委生命科学部专家评审组成员、Frontiers in Perception Science编委、Experimental Brain Research编委、中国神经科学学会神经科学研究技术分会秘书长、中国心理学会国际学术交流工作委员会副主任、中国科学院心理健康重点实验室客座研究员和杭州师范大学“钱塘学者”讲座教授。他是PLoS Biology, Current Biology, PNAS, Journal of Neuroscience, Journal of Vision, Vision Research等二十余种国际学术刊物的审稿人，同时也是美国视觉科学学会和美国神经科学学会会员。目前主持和参与国家自然科学基金课题以及973课题多项。