双眼竞争中人脑视皮层亚层特异的7T超高场功能磁共振成像

During binocular rivalry, the alternation of the two eyes' percept correlates with the fluctuation of neural activities throughout the human visual pathway, from as early as LGN and V1 to high-level occipital temporal visual cortices. However, it is not clear how feedforward and feedback processes interact to create conscious perception with the rivalrous signals, and in particular, whether the perception-related neural fluctuations reflect feedforward, local or feedback consequences of rivalry competition resolved at different stages of the visual hierarchy. To answer this question, we will use ultra-high field fMRI at 7T with submillimeter resolution to resolve feedforward signals from the middle layer and feedback signals in the superficial and deep layers of the human primary visual cortex. The findings from this project will provide important evidence about the neural correlate of visual awareness in the human brain.

当两幅不同的图像分别输入左右眼时，我们的视知觉状态会在两幅图像之间自发的进行切换。这种现象称为双眼竞争，是研究视觉意识神经机制的重要实验范式。多层级视觉区如何通过前馈和反馈机制解决双眼竞争目前尚不清楚。本项目希望通过7T超高场功能磁共振技术，在亚毫米的分辨率下记录双眼竞争中人脑早期视觉皮层不同皮层深度的血氧信号。研究双眼竞争中视皮层不同亚层的前馈和反馈信号与知觉状态及其切换之间的关联。目标是揭示视觉系统的不同处理层级如何交互解决双眼视觉冲突，较大程度推进对双眼竞争神经机制的理解，并有可能为揭示视觉意识产生的神经机制提供重要的证据。

本项目通过7T高分辨率fMRI研究了人脑双眼竞争的神经环路机制。研究结果发现外膝体LGN在双眼竞争条件下没有眼特异性的调制，但刺激重放条件下有显著的调制作用。在初级视觉皮层V1，双眼竞争条件下眼特异的调制在表层最强，而刺激重放条件下在中间层最强。这些结果说明双眼竞争起始于V1表层的眼间抑制。在顶叶皮层的研究发现IPS前部在双眼竞争条件下存在眼特异性的调制，而刺激重放条件下较弱。实验结果发现双眼竞争条件下IPS到V1有更强的反馈连接，并且在V1与反馈活动相关的表层和深层，眼优势柱信号之间有更强的同步性。这些结果说明IPS参与了双眼竞争，来自IPS的反馈可能加强了V1表层的眼间抑制并且使得V1眼优势柱的活动之间更加同步。. 我们虽然没有在丘脑外膝体发现眼特异性的竞争，在进一步的实验中设计了颜色和灰度光栅的竞争刺激，分别激活外膝体的小细胞和大细胞层，结果发现在外膝体小细胞层和腹侧丘脑枕的小细胞功能区存在与颜色知觉相关的活动。并且在V1,V4和IPS的小细胞偏好体素也发现了类似的现象。功能连接的结果表明IPS-丘脑枕-视皮层的反馈连接与视觉意识有关。这些结果说明IPS-丘脑枕-视皮层的反馈通路产生了视觉意识，并且会反馈到外膝体作为意识相关信息处理的低级门控。. 本项目关于7T高分辨率fMRI研究说明注意和意识通过相似的反馈神经环路调制视皮层的神经活动，这个反馈机制有可能是形成视觉意识所必须的，一定程度上解释了注意是意识产生的必要条件。