小鼠上丘中与偏好无关的显著性地图：视觉显著性检测的神经机制新解

《Communications Biology》：Preference-independent saliency map in the mouse superior colliculus

为探究大脑如何编码视觉显著性（visual saliency）这一未解难题，中国脑科学研究院研究人员开展小鼠上丘（sSC）相关研究。结果发现 sSC 存在与偏好无关的显著性地图，该成果为理解视觉显著性检测的神经机制提供了重要依据。

　　在动物的生存过程中，从大量的视觉输入里快速准确地提取关键信息至关重要，而这依赖于视觉注意力对信息的筛选。视觉注意力分为内源性（endogenous）和外源性（exogenous）两种，其中外源性注意力会被视觉场景中突出的物体吸引，这种突出性就是视觉显著性。然而，大脑究竟在何处以及如何编码视觉显著性，科学界尚无定论。虽然有理论模型提出大脑中存在特征独立的显著性地图，但从实验层面来看，无论是初级视觉皮层（V1）还是上丘（SC），都未能给出一致的实验证据支持这一理论。在 V1 中，显著刺激引发的神经元反应受刺激的方向对比和神经元方向偏好影响；在 SC 中，虽然有研究表明神经活动与显著性强度相关，但特征偏好的作用尚不明确，并且小鼠实验还受到麻醉等多种因素干扰，使得情况更为复杂。同时，特征编码和显著性编码之间的关系也模糊不清。为了深入探索这些问题，中国脑科学研究院的研究人员展开了相关研究，其成果发表在《Communications Biology》上。
研究人员运用的主要关键技术方法包括：在体双光子钙成像技术（in vivo two - photon calcium imaging），对清醒头部固定且皮层完整的小鼠进行实验；通过病毒注射，将表达非 floxed GCaMP8 的腺相关病毒注入小鼠上丘，标记兴奋性（Vglut2⁺）或抑制性（Vgat⁺）神经元；利用多种视觉刺激，如不同方向和运动方式的光栅等，探究神经元的反应；使用药物（muscimol）沉默 V1，研究皮层输入对 sSC 显著性编码的影响。
研究结果如下：

1. 兴奋性和抑制性神经元对显著刺激的反应：研究人员对清醒小鼠的后内侧上丘进行双光子钙成像，记录兴奋性和抑制性神经元对视觉显著刺激的反应。结果显示，无论是由方向还是运动方向定义的显著刺激，当刺激斑块位于神经元感受野（RF）中心时，两类神经元的反应都比仅对背景的反应更强，这表明 sSC 在编码视觉显著性中起重要作用。
2. 视觉显著性的神经编码与方向偏好无关：测量单个神经元的 RF、方向偏好以及对不同位置斑块的显著闪烁光栅（SFGs）的反应发现，神经元的反应在斑块位于 RF 中心时最强，且与背景方向无关，即 sSC 中的显著性编码独立于方向偏好。计算显著性指数（SI）进一步证实，大部分神经元对显著刺激的反应更强，且显著性编码神经元的方向选择性更低。
3. 视觉显著性的神经编码与运动方向偏好无关：分析神经元对显著移动光栅（SMGs）的反应发现，其规律与 SFGs 类似，神经元反应最强时斑块位于 RF 中心，且视觉显著性和运动方向编码呈负相关，即视觉显著性的编码独立于神经元的运动方向偏好。
4. sSC 神经元编码显著性强度：通过系统改变斑块方向与背景的方向对比，研究人员发现神经元反应能反映方向对比，即编码了显著性强度。随着方向对比偏离 90°，显著性编码神经元的反应幅度逐渐降低，且不同方向对比刺激引发的反应幅度差异与神经元的方向选择性无关。
5. 视觉显著性编码受特征选择性影响：比较神经元对 SFGs 和 SMGs 的反应发现，特征选择性指数（FSI）与反应幅度差异（ΔR）呈强正相关，这表明神经编码的视觉显著性受特征选择性影响，与理论预测相悖。同时，编码方向和运动方向诱导的显著性神经元存在部分重叠。
6. 显著性地图与特征地图的关系：绘制同一组神经元的方向图、方向图和显著性地图发现，具有强方向或运动方向选择性的神经元，其 SI 往往较低，对显著刺激的反应较弱。显著性编码神经元形成半径约 100μm 的斑块，且 SI 与全局方向选择性指数（gOSI）和全局运动方向选择性指数（gDSI）呈显著负相关，说明视觉特征和显著性由部分重叠的神经群体编码。
7. sSC 中与偏好无关的显著性编码不依赖于皮层输入：使用 muscimol 沉默 V1 后发现，sSC 中显著性编码神经元对 SFGs 的反应不受背景方向影响，且 SI 增加，这表明皮层输入对于 sSC 中与偏好无关的显著性编码并非必需。
   研究结论和讨论部分指出，该研究揭示了小鼠上丘中存在与偏好无关的显著性地图，为 Koch 和 Ullman 提出的显著性编码理论提供了部分支持。研究结果与前人对影响 sSC 神经元对显著刺激反应因素的研究相互印证并有所拓展，如刺激大小、麻醉、皮层输入等因素对神经元反应的影响。与 V1 不同，sSC 神经元对特定方向或运动方向的调谐较弱，但能对显著刺激产生强烈反应，体现了不同脑区在显著性编码机制上的差异。此外，研究还探讨了 sSC 中显著性地图的形成机制，可能与周围抑制、功能性斑块以及宽场兴奋性神经元等有关，也可能部分继承自视网膜。sSC 在视觉注意中起着关键作用，其编码的显著性信息可通过投射到其他脑区，如内侧膝状体、外侧膝状体和下丘等，与目标驱动的注意力整合，最终生成决定注意位置的多模态优先级地图。该研究为理解视觉显著性检测的神经机制提供了新的视角，也为后续研究如何将 sSC 中的视觉显著性地图转化为下丘中的多模态优先级地图奠定了基础，对深入探究注意力和决策制定的神经机制具有重要意义。