Nat Commun｜蒋毅/刘宁团队合作揭示生物运动早期视觉加工中的跨物种神经机制

学术 2024-11-20 00:01 上海

【神经科学前沿技术培训系列】详见文末

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撰文︱鲁溪芊，辛雨萌

审阅︱蒋毅，刘宁

责编︱王思珍

想象一下，当你正在茂密的丛林中漫步，突然，一个细微的动静吸引了你的眼睛——是风吹动树叶，还是远处有猎物在悄悄移动？这个简单现象反映了人类具备的一项重要能力，即区分非生物运动与生物运动（biological motion）。近年来的研究表明，包括人类在内的大部分脊椎动物均拥有这种从复杂视觉环境中迅速捕捉生物运动信息的能力[1-8]，这意味着这一能力理应存在跨物种的神经基础。然而目前研究人员对有关人类生物运动的早期视觉加工（涉及脑皮层下通路），及这种加工的跨物种保守性的认识还存在不足。

近日，中国科学院心理研究所蒋毅研究组和中国科学院生物物理研究所刘宁研究组、张朋研究组合作在《Nature Communications》发表了题为"Detecting biological motion signals in human and monkey superior colliculus: a subcortical-cortical pathway for biological motion perception"的研究论文。研究借助高场强（3T）和超高场强（7T）功能性磁共振成像（functional magnetic resonance imaging，fMRI）技术考察人类和猕猴的上丘（superior colliculus）在生物运动视觉加工中的作用。上丘是哺乳动物直接接收视网膜传入的脑核团（非哺乳动物拥有同源结构视顶盖），可进行早期视觉加工[9-10]。研究人员发现上丘，尤其是其浅层，可以选择性加工生物运动信息，同时生物运动信息存在一条皮层下-皮层功能连接通路：信息可以从上丘出发，通过中颞视觉区（middle temporal visual complex，MT+）传输到人脑的后颞上沟（posterior superior temporal sulcus，pSTS）。（拓展阅读：蒋毅/刘宁课题组相关研究进展，详“逻辑神经科学”报道（点击阅读）：NSR｜中科院心理所蒋毅/深圳先进院戴辑团队合作揭示灵长类情绪脑的起源及其功能发展；Neurosci Bull｜中科院心理研究所蒋毅团队探究Alpha和Beta振荡与大小错觉加工；Neurosci Bull︱戴辑/蒋毅团队合作揭示猕猴杏仁核对视-听感觉的神经整合奥秘；PLoS Biol︱刘宁/毕彦超/王效莹团队合作揭示猕猴大脑表征物体颜色知识的神经机制：iScience︱中科院生物物理所刘宁课题组揭示社会地位影响恒河猴对慢性应激的生理反应与行为表现；王伟/张朋点评 Nat Commun︱邢大军/刘宁团队合作揭示颜色不对称编码的神经起源和演变机制；J Neurosci︱万小红/刘宁团队合作揭示颞顶联合区调节心智化过程中自我他人融合效果的神经机制）

实验使用了简单光点动画来刻画局部生物运动信息[11]，并通过翻转刺激和去除加速度信息来制作控制条件（图1 a-b）。研究人员首先记录了人和猕猴观看局部生物运动信息时上丘的反应，发现生物运动在人类和猕猴上丘均引起了比控制条件更强的神经激活（图1c-e）。

图1 (a-b) 实验研究中通常采用简单光点动画来刻画生物运动信息；（c-d）人类上丘对生物运动的响应；（e）猕猴上丘对生物运动的响应

考虑到上丘由多层不同细胞构成，其中接收视网膜传入的是浅层细胞，研究者又进一步将人类上丘中采集的信号按照与表面的距离进行了细分，发现局部生物运动信息引起的特异性神经激活在上丘表层最强，而随着深度增加逐渐减弱直至消失（图2）。

图2 （a）人类上丘在7T影像中的分层示例；（b）人类上丘响应随分层变化结果

研究者进一步采用动态因果建模（dynamic causal modeling, DCM）方法考察人类上丘与大脑中其他加工生物运动信息的脑区之间的关系[12]。分析结果揭示出一条生物运动信息视觉传输的功能连接通路，从上丘出发，经过中颞叶视觉区直至后颞上沟（图3）。在前馈连接中，局部生物运动刺激相比控制条件可以引起更强的调节作用。

图3 动态因果建模分析揭示生物运动视觉传输功能连接通路

文章结论与讨论，启发与展望

综上，本研究为理解上丘在早期生物运动加工中的重要作用提供了新的视角。研究发现了上丘加工生物运动信息的跨物种保守神经机制，这表明生物运动信息在视觉加工的早期阶段就已经得到特异性的加工。

原文链接：https://doi.org/10.1038/s41467-024-53968-x

中国科学院心理研究所助理研究员鲁溪芊、毕业博士生胡召起和中国科学院生物物理研究所博士后辛雨萌为论文共同第一作者，中国科学院心理研究所研究员蒋毅和中国科学院生物物理研究所研究员刘宁为论文共同通讯作者，中国科学院生物物理研究所毕业博士生杨天舒、中国科学院心理研究所青年特聘研究员王莹、中国科学院生物物理研究所研究员张朋为论文共同作者。该研究得到了科技创新2030-“脑科学与类脑研究”重大项目、国家自然科学基金、中国科学院创新交叉团队以及中央高校基本科研业务费专项资金资助的支持。

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参考文献

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12. Friston, K. J., Harrison, L. & Penny, W. Dynamic causal modelling. NeuroImage 19, 1273–1302 (2003).

编辑︱王思珍

本文完

http://mp.weixin.qq.com/s?__biz=Mzg2MTYwODc5Ng==&mid=2247701765&idx=3&sn=34ff0b7172f4141800c7f1666c936e80