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

学术   2024-11-11 00:01   江苏  

【神经科学前沿技术培训系列】详见文末


撰文︱赵明慧

审阅︱王效莹,毕彦超,刘宁

责编︱王思珍


我们的大脑中存储着关于这个世界丰富的知识,比如西瓜的颜色,枫叶的形状,鲜花传递爱意等。以往研究表明,人类可以通过感知觉经验语言获得知识,其大脑的知识表征网络是分布式的,既涉及特定的感知觉皮层,也包括与语言等高级认知紧密相关、更为整合的前颞叶区域[1-6]然而,作为一种没有完善语言系统的非人灵长类动物,猕猴是否也知道西瓜是红色的,香蕉是黄色的呢?如果知道的话,它们的大脑又如何表征这些物体颜色知识?这些问题都有待探究,回答它们将有助于我们理解人类知识表征网络的进化保守性。


近日,中国科学院生物物理所刘宁团队和北京师范大学彦超、王效莹团队合作在PLoS Biology在线发表了题为 “Object color knowledge representation occurs in the macaque brain despite the absence of a developed language system” 的研究论文。该研究结合多个清醒猴功能性磁共振成像(fMRI)和行为学眼动追踪实验,发现没有完备语言的猕猴与人类相似,均在颜色感知区域存储物体颜色知识,从而验证了基于感知觉经验的知识表征方式的进化保守性。(拓展阅读:刘宁团队最新进展,详见“逻辑神经科学”报道: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


研究人员选择了猕猴日常生活中熟悉的物体作为实验刺激,包括草莓、西瓜、包菜、猕猴桃、香蕉和玉米,并设计了三个fMRI实验:彩色与灰度光栅观看实验,灰度物体(比如灰色的包菜)观看实验,真假颜色物体(比如绿色的包菜为真,红色的包菜为假)观看实验(图1,和真假颜色物体配对观看的眼动追踪实验。

 
1. fMRI实验流程图

(图引自:Zhao,M. et al., 2024


首先,作者在猕猴大脑中定义出颜色知觉加工区(图2A[7-8]这些区域都对彩色光栅的响应显著高于灰度光栅,并且对红、绿、黄这三种彩色光栅有不同的响应模式。


接下来,作者想要探究这些颜色知觉加工区是否可以区分出具有不同记忆颜色的灰度物体,比如对灰色的草莓和猕猴桃有着不同的响应模式,而对灰色的草莓和西瓜的响应模式则更为类似。于是作者借助多体素模式分析MVPA: Multivoxel Pattern Analysis),使用一半灰度物体进行训练,另外一半灰度物体进行测试。结果显示V4d_cTEO_c,和TEad_c这三个颜色知觉加工区可以成功地区分出具有不同记忆颜色的灰度物体(图2B&C


为了进一步验证猕猴对这些灰度物体记忆中的颜色和实际感知经验相符,同时进一步消除低级特征的影响,作者直接使用三种彩色光栅(红色、绿色、黄色)来训练分类器,使用具有三种不同记忆颜色的灰度物体进行测试。结果表明,V4d_cV4v_cTEO_cTEpd_cTEad_c,和TEa_c 这些颜色知觉加工区都可以成功地编码出灰度物体对应的颜色,比如对红色光栅的响应模式可以成功地迁移到灰色的草莓和西瓜上(图2D&E


随后,作者通过真假颜色物体观看实验验证了TEO_cTEpd_c这两个颜色知觉加工区可以区分真实颜色和虚假颜色的物体刺激(图2F&G,对这两类刺激有着不同的响应模式(比如对红色的西瓜,绿色的包菜的响应模式不同于绿色的西瓜,红色的包菜)



2. 颜色知觉加工区对物体颜色记忆的表征

(图引自:Zhao,M. et al., 2024


因此,作者结合多个fMRI实验和多体素模式分析共同揭示,猕猴的颜色知觉加工区,尤其是TEO_c,存储着物体颜色知识,即使没有直接的颜色知觉输入,这些区域的激活模式也可以根据已有的颜色知觉经验对物体进行分类。


以往研究发现猕猴的前颞叶(ATLAnterior Temporal Lole)在物体关联记忆和熟悉度表征中扮演重要作用[9-12]。作者也探究了ATL的两个重要节点TPTemporal Pole)和PRPerirhinal Cortex结果表明,TP与颜色知觉加工区不同,它对真实颜色水果的响应幅度显著高于虚假颜色水果,但是这一趋势会在实验后期消失,表现出了一种短期的学习效应。此外,TP不能够编码灰度物体记忆中的颜色(图3


3. TP对物体颜色记忆的表征

(图引自:Zhao,M. et al., 2024


最后,作者通过真假颜色物体配对观看的眼动追踪实验,发现猕猴对真实颜色物体具有更强的观看偏好,表明猕猴也可以在行为上区分真实颜色和虚假颜色的物体刺激,为猕猴具有物体颜色知识提供了正向的行为学证据。

 
4. 工作总结图:猕猴大脑对物体颜色知识的分布式表征

(图引自:Zhao,M. et al., 2024


文章结论与讨论,启发与展望
综上所述,这项研究证明猕猴与人类相似,也拥有关于物体的颜色知识,并且这些知识以基于视觉颜色经验的方式存储在颜色感知皮层。该研究揭示了此前在人类大脑中观察到的基于感知觉经验进行知识表征的方式在进化上是保守的,并不依赖于完善的语言系统。

原文链接:https://journals.plos.org/plosbiology/article?id=10.1371/journal.pbio.3002863


该论文第一作者为中国科学院生物物理所博士生赵明慧,通讯作者为中国科学院生物物理所刘宁研究员,北京师范大学毕彦超教授和王效莹副教授。生物物理所辛雨萌(博士后)、邓淏云(博士研究生)、左真涛(研究员)对此项工作也做出了重要贡献。该研究得到了科技部科技创新2030-“-脑科学与类脑研究重大项目、国家自然科学基金、中央高校基本科研业务费、 安徽省高校协同创新项目、和中国科学院青年创新促进会的资助。


转载须知“逻辑神经科学”特邀稿件,且作者授权发布;本内容著作权归作者和“逻辑神经科学”共同所有;欢迎个人转发分享,未经授权禁止转载,违者必究。

     


     
【神经科学前沿技术培训系列】

【光遗传学与遗传编码钙探针和神经递质探针工作原理及应用】【在体成像技术在神经科学研究的基础与应用】(第九期)。时间 待定(周六至周一);地点 南京

【脑片膜片钳记录系统的操作和应用】(第六期)。时间 2024126-8;地点 南通

【神经科学前沿技术整合:当在体电生理邂逅光遗传】(第一期),时间 2024119-11(周六至周一);地点 南京

全国前沿组织透明化与三维成像理论和技能培训班(第二期),时间 待定;地点 武汉

【疾病研究与动物行为学系列】

阿尔兹海默症最新研究进展和热点与动物行为学实验设计思路和数据分析(第二期。时间 待定,地点 线上

“理论知识,操作技能,科研思维”
报名方式:15108204441(电话)Wang_Sizhen(微信)
(点击标题阅读全文)

逻辑神经科学”微信群:文献学习

扫码添加微信,并备注:逻辑-文献-姓名-单位-研究领域-学位/职称
(注:不按要求格式备注,则不通过好友申请)
     
参考文献

1.Binder JR, Desai RH. The neurobiology of semantic memory. Trends Cogn Sci. 2011; 15(11):527–536. https://doi.org/10.1016/j.tics.2011.10.001 PMID: 22001867

2.Binder JR, Desai RH, Graves WW, Conant LL. Where Is the Semantic System? A Critical Review and Meta-Analysis of 120 Functional Neuroimaging Studies. Cereb Cortex. 2009; 19(12):2767–2796.

3.Martin A. GRAPES-Grounding representations in action, perception, and emotion systems: How object properties and categories are represented in the human brain. Psychon Bull Rev. 2016; 23(4):979–990. https://doi.org/10.3758/s13423-015-0842-3 PMID: 25968087

4.Mahon BZ, Caramazza A. A critical look at the embodied cognition hypothesis and a new proposal for grounding conceptual content. J Physiol Paris. 2008; 102(1–3):59–70. https://doi.org/10.1016/j. jphysparis.2008.03.004 PMID: 18448316

5.Bi Y. Dual coding of knowledge in the human brain. Trends Cogn Sci. 2021; 25(10):883–895. https:// doi.org/10.1016/j.tics.2021.07.006 PMID: 34509366

6.Ralph MA, Jefferies E, Patterson K, Rogers TT. The neural and computational bases of semantic cognition. Nat Rev Neurosci. 2017; 18(1):42–55. https://doi.org/10.1038/nrn.2016.150 PMID: 27881854

7.Chang L, Bao P, Tsao DY. The representation of colored objects in macaque color patches. Nat Com- mun. 2017; 8(1):2064. https://doi.org/10.1038/s41467-017-01912-7 PMID: 29234028

8.Lafer-Sousa R, Conway BR. Parallel, multi-stage processing of colors, faces and shapes in macaque inferior temporal cortex. Nat Neurosci. 2013; 16(12):1870–1878. https://doi.org/10.1038/nn.3555 PMID: 24141314

9.Miyashita Y. Perirhinal circuits for memory processing. Nat Rev Neurosci. 2019; 20(10):577–592. https://doi.org/10.1038/s41583-019-0213-6 PMID: 31485007

10.Miyashita Y. Neuronal correlate of visual associative long-term memory in the primate temporal cortex. Nature. 1988; 335(6193):817–820. https://doi.org/10.1038/335817a0 PMID: 3185711

11.Landi SM, Freiwald WA. Two areas for familiar face recognition in the primate brain. Science. 2017; 357 (6351):591–595. https://doi.org/10.1126/science.aan1139 PMID: 28798130

12.Landi SM, Viswanathan P, Serene S, Freiwald WA. A fast link between face perception and memory in the temporal pole. Science. 2021; 373(6554):581–585. https://doi.org/10.1126/science.abi6671 PMID: 34210891

编辑︱王思珍
本文完



逻辑神经科学
以逻辑之学术思维,探索神经科学奥秘;汇百家争鸣,促求真明理。
 最新文章