注意对人类视觉周边抑制的调控作用研究

Surround suppression, as an important mechanism of contextual integration, can inhibit the perception or neural responses of a visual target stimulus. Visual attention is a mechanism which filters out redundant visual information. Classical gain control theory assumes that attention select relevant visual information via amplifying signals of visual target. Previous studies have found that attentional effects are strongest only when visual target places in cluttered backgrounds, implying that there are interactions between attention and contextual integration (e.g., surround suppression). Recent electrophysiological research as well as our pilot experiments are consistent with this assumption, which could not be accounted for by gain control theory. Accordingly, we hypothesize that attentional selection could be implemented through modulating the surround suppression. This project attempts to: 1) investigate how attention influences surround suppression using psychophysical experiments; 2) explore how the attentional modulation is reflected in the neural response of brain by using the SSVEP mothed; 3) develop neural computational models to reveal the underlying mechanisms of the attentional modulation on surround suppression, based on the psychophysical and electrophysiological findings. This work is expected to reveal new modulation mechanisms of visual attention, providing new ideas for understanding attention. In addition, the research results would inspire the engineering field such as computer vision and pattern recognition.

周边抑制是一种重要的视觉目标-背景整合现象，表现为背景会削弱目标的知觉或神经反应。视觉注意是一种信息筛选机制，传统的注意增益控制理论认为注意通过放大目标刺激的信号来实现信息选择。以往的研究发现只有当视觉目标处于复杂的背景之中，注意效应才最强。这暗示注意与视觉目标-背景整合之间（如周边抑制）存在交互作用，近期的电生理研究以及申请人的前期预实验也符合这一假设，而且增益控制理论无法解释该假设。据此，我们提出注意会通过调节周边抑制来实现视觉信息的选择。本项目拟：1）通过心理物理学研究，考察在行为上注意如何调节周边抑制强度；2）通过脑电SSVEP研究，探明这种注意调控作用在大脑视觉神经活动上有何体现；3）基于行为和脑电结果，通过神经计算建模研究，揭示注意调控周边抑制的神经计算机制。本工作将有望揭示新的视觉注意调控机制，为理解视觉注意提供新思路，研究结果可为计算机视觉、模式识别等领域提供借鉴和启示。

周边抑制是一种广泛存在于各视觉加工阶段的信息处理机制，表现为背景会削弱目标的知觉或神经反应，从而突显与背景不一样的视觉目标。视觉注意是一种重要信息筛选机制，注意可以通过自下而上或自上而下的方式把与当前行为相关的目标选择出来。周边抑制被认为是一种低级或基础的信息选择机制，而注意被认为是一种高级的信息选择机制，那么这两种视觉信息选择机制如何交互呢，特别是高级的注意如何调节低级的周边抑制呢？这是本项目计划解决的问题。本项目开展了五项研究（三项心理物理学研究、一项脑电研究、一项神经计算建模研究），主要结果是发现注意对对比度周边抑制的调节主要是注意会削弱对比度周边周边抑制，该结果在心理物理学研究中一致地被发现（研究1、2），而且得到了脑电研究的证实（研究3），并被神经计算建模研究从机制上进行解释（研究4）。然而，研究5的初步结果表明运动周边抑制受到注意的调节方式可能不同：注意会提高运动周边抑制，在没有注意的情况下，运动周边抑制不发生。这些研究结果表明注意对周边抑制的调节十分复杂，刺激的类型、注意的类型、甚至被试对刺激的熟悉程度（研究1，实验1和2）都会影响注意调节周边抑制的强度或方向，脑电研究发现早期的C1脑电成分上的周边抑制就能受到注意调节，注意对周边抑制的调节是一种非常基础的神经计算操作，通过这种操作可以实现对目标刺激的增强（研究4）。本研究结果为将来从心理物理层面和神经层面研究注意对神经信息整合问题指引方向，这些结果不但为解开大脑高效的信息加工之谜打开一个新的窗口，具有重要的科学意义，而且有望应用于未来的人工神经网络构建之中，为创造高效的人工智能系统提供新原理和新思路。