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感謝《腦客中國》平臺、感謝羅躍嘉老師的邀請。今天我分享的題目是《用雙光子鈣成像研究清醒猴初級視覺皮層神經(jīng)元的反應(yīng)特性》。
我們實驗室主要從事人類視覺的心理物理學研究，以實驗心理學或者心理物理學的技術(shù)手段來探究人類視覺過程，主要是視覺訓(xùn)練和知覺學習。
另外近幾年我們和北大生科院唐世明教授合作，用雙光子鈣成像技術(shù)研究清醒猴的視覺皮層神經(jīng)元活動。
01視覺神經(jīng)研究的經(jīng)典方法
大家對大腦視覺神經(jīng)研究了解的可能不多，所以希望我的講解能為大家增添一點這方面的理解。
即使近些年腦科學的發(fā)展已經(jīng)日新月異了，但有些經(jīng)典的視覺研究方法卻仍未過時。
比如有150多年歷史的心理物理研究，通過給予一前一后兩個刺激，讓被試進行朝向辨別，判斷哪個刺激更加順時針。通過改變前后刺激的角度差異，可得到視覺朝向辨別閾值。
在訓(xùn)練前閾值可能是6°，訓(xùn)練后朝向辨別的準確性就會所有改善，降為4°，這是一個知覺學習的過程。
知覺學習研究可以在行為水平上理解大腦可塑性，在醫(yī)療和國防上都有較為重要的應(yīng)用。
此外在4-5年前，我和北大生科院唐世明老師合作，開始利用雙光子鈣成像在清醒猴做視覺皮層方面的一些研究。
猴子頭顱較大，且控制清醒猴子頭部移動較為困難。唐世明老師經(jīng)過多年的研究才解決了這些難題。到目前為止，我們?nèi)允侨蛭ㄒ荒芾秒p光子鈣成像技術(shù)在清醒猴上做視覺皮層神經(jīng)元研究的科研團隊。
02客體識別的早期神經(jīng)機制
我們利用這一先進技術(shù)來了解一個基本的視覺問題：客體識別的早期神經(jīng)機制是什么？
比如我們看一張圖，我們就可以通過圖片特征歸納出圖片信息。然而，從開始看到這張圖到信息處理后從大腦輸出，這期間的神經(jīng)狀態(tài)及神經(jīng)功能的改變我們是不清楚的。
傅立葉定理提到：任何連續(xù)周期信號都可以由一組適當?shù)恼仪€組合而成。
表征正弦曲線的三個主要指標是頻率、相位、波幅。用不同空間頻率的正弦光柵可以將正弦曲線轉(zhuǎn)換成明暗有序的光信號。
將這種黑白相間的光信號進行傅立葉轉(zhuǎn)換，就可以將光信號在傅立葉空間表達成一個點。點與原點的距離表征空間頻率的大小——頻率越高，點與原點的間距越小；頻率越低，點與原點的間距越大。
我們常見的刺激信號的正弦曲線是水平延展的，但當信號朝向變?yōu)樨Q直或傾斜時，通過傅立葉轉(zhuǎn)換形成的點的排列方向與信號朝向成垂直關(guān)系。
一幅圖像可以通過傅立葉轉(zhuǎn)換成不同空間頻率和朝向的能量，這些能力信息也可以通過反傅立葉轉(zhuǎn)換重建該圖像。
電視機成像就是利用這種原理。
信號刺激的朝向和空間頻率是兩種最基本的視覺特征。
視覺神經(jīng)科學的起始也是將大腦是如何表征這兩種基本視覺特征作為重點研究內(nèi)容之一。
03視覺系統(tǒng)神經(jīng)傳導(dǎo)機制
介紹了那么多背景知識，讓我們回到正題，即大腦的早期視覺通路是怎樣工作的。
外界圖像通過眼球內(nèi)的晶狀體投射到視網(wǎng)膜，經(jīng)視網(wǎng)膜上的視桿、視錐細胞兩種光感受器轉(zhuǎn)換為神經(jīng)電位。
神經(jīng)電位由視網(wǎng)膜神經(jīng)節(jié)細胞投射到丘腦外側(cè)膝狀核（LGN），換元后再投射到大腦皮層。
不管是視網(wǎng)膜神經(jīng)節(jié)細胞還是丘腦LGN細胞的感受野都是同心圓結(jié)構(gòu)，這意味著這些細胞對光刺激的朝向是無選擇性的。
上世紀五十年代末六十年代初哈佛大學Hubel和Wiesel的研究表明，在初級視覺皮層V1區(qū)，大部分神經(jīng)元的感受野結(jié)構(gòu)呈長條狀，這意味著該區(qū)域的神經(jīng)元開始有朝向選擇性。
下面我會舉些有趣的例子跟大家分享。
注：上述內(nèi)容在征得余聰老師同意后，在不改變原意的情況下進行的部分文字整理。觀看完整視頻內(nèi)容請掃描下方二維碼。
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