边界感从哪里来？eLife解析大脑感知边界的方式

约翰·雷诺兹(John Reynolds)教授和高级博士后汤姆·弗兰肯(Tom Franken)在了解大脑如何决定视觉边界的哪边是前景物体，哪边是背景物体方面取得了进展。这项研究于2021年11月30日发表在《ellife》杂志上，揭示了大脑区域如何沟通，以解释感官信息，并构建我们周围世界的画面。

　　

   

   

从左起:约翰·雷诺兹和汤姆·弗兰肯

在经典的“鲁宾的花瓶”视觉错觉中，你可以看到一个精心制作的、弯曲的花瓶，或者两张脸，鼻子几乎接触。在任何给定的时刻，你感知到的场景取决于你的大脑是将中央的花瓶形状视为画面的前景还是背景。

现在，约翰·雷诺兹教授和高级博士后汤姆·弗兰肯已经在了解大脑如何决定视觉边界的哪边是前景物体，哪边是背景物体方面取得了进展。这项研究于2021年11月30日发表在《ellife》杂志上，揭示了大脑区域如何沟通，以解释感官信息，并构建我们周围世界的画面。

“大脑如何组织和生成外部世界的表象，至今仍是神经科学领域最大的未知数之一，”神经科学领域Fiona和Sanjay Jha主席雷诺兹说。“我们的研究为大脑如何处理边界提供了重要的见解，这可能会导致更好地理解知觉被破坏的精神状况，比如精神分裂症。”

当你观看眼前的场景时，大脑皮层中的单个神经元都会接收到关于场景中极小区域的信息。因此，从物体边缘接收信息的神经元几乎没有关于哪边是前景的初始上下文。然而，科学家们之前发现了一组细胞，它们能非常迅速地向物体边界的哪一边发出信号(“边界所有权”);毕竟，深度感知和辨别眼前物体的能力对生存至关重要——眼前物体是路边还是阴影，是石头还是洞穴?

大脑中的这些神经元是如何计算边界所有权的，目前还不清楚。一些科学家假设，当来自眼睛的信息通过大脑，依次进入更下游(更深)的区域，每个区域都会进行额外的计算，直到你的大脑建立起视觉场景的模型。这被称为“前馈”路径。但其他科学家假设“反馈”路径的重要性，在这个路径中，大脑的下游区域必须首先处理信息，然后将这些线索发送回上游区域的神经元，以帮助他们确定边界的所有权。

雷诺兹和弗兰肯开始确定哪个假设是正确的。当动物在空白的背景上观看方形物体的图像时，他们用电极记录下大脑皮层不同层神经元的活动。科学家们首先确定哪些特定的神经元在处理来自正方形和背景边界的一小部分信息;然后他们测量了这些神经元中边界归属信号的时间，并比较了不同层次的神经元。

Franken说:“我们发现，有关边界所有权的最早信号发生在大脑皮层深层的神经元中。”Franken是一名医学科学家，获得了美国国立卫生研究院K99通路独立奖的支持。“这支持了反馈通路对解码边界的重要性，因为反馈连接到达和离开神经元的深层。”

研究人员还观察到，大脑皮层中垂直堆叠在不同层的神经元，往往对边界所有权有着相同的偏好。例如，某些神经元柱喜欢边界左侧为物体的场景，而其他神经元柱喜欢边界右侧为物体的场景。弗兰肯解释说，这些发现表明，反馈实际上可能是以一种系统的方式组织起来的，这是进一步研究的一个很有前途的途径。

“我们来理解大脑的结构以及乐团的神经元相互通信建立外部世界的内部表示,我们更好地开发诊断工具和治疗脑部疾病这些内部表示扭曲了,如精神分裂症、”弗兰肯说。“与精神分裂症相关的幻觉和妄想可能与前馈-反馈循环的中断有关。”

接下来，Franken将在这些结果的基础上进行实验，研究反馈传递的信息对边界处理的影响。

这项工作得到了乔治·e·休伊特医学研究基金会、大脑与行为研究基金会和国家卫生研究院国家眼科研究所的NARSAD青年研究员基金的资助。