视觉信息处理早期选择性视觉注意的神经机制

视觉信号经过视皮层处理加工后如何产生视知觉，仍然是悬而未决的科学问题之一。视觉注意是重要的大脑知觉过程，研究其神经机制有助于揭示大脑高级认知功能的奥秘，同时对治疗自闭症、老龄化和中风引起的注意力障碍也有重要的应用前景和社会经济意义。过去20年来对选择性视觉注意相关的大脑神经网络进行了深入的研究，然而目前所有的注意模型都缺乏对神经元特异性的研究。初级视皮层（V1）是视觉信息在大脑皮层水平的第一个处理站。本课题创新性地提出在V1区存在具有不同视觉反应特性的注意增强和注意抑制神经元，使用国际领先的电生理记录技术在清醒猴完成注意任务时采集V1区皮层深处单神经元反应和细胞集群活动，从而提供不同深度的V1区神经元在视觉注意神经回路中的详细特性。对神经元水平选择性视觉注意神经机制的研究成果将有助于建立更好的视觉注意模型，推动大脑认知研究并为注意力障碍治疗提供指导，具有重要的理论和应用价值。

经过二年多的研究，取得了以下研究成果：. 通过在电生理实验中分析电刺激诱发皮层响应的生理性信号和刺激电流通过组织传导引起伪迹的纯物理信号，发现两者具有不同的空间反应特征与统计独立性。我们使用独立成分分析（ICA）方法将电伪迹从记录到的信号中去除，以还原真实的电诱发皮层响应。为了验证ICA去除电刺激伪迹方法的有效性，使用利多卡因对电刺激位点后的视神经进行局部麻醉，阻断视神经生理性信号的传递而不影响电刺激伪迹的产生，从而得到不含皮层生理活动的纯电刺激伪迹信号，并通过相关性统计分析比较ICA算法分离后的伪迹与记录到的纯伪迹之间的相关系数。结果表明ICA方法可以有效地去除多种电刺激波形引起的多通道皮层响应中混杂的电刺激伪迹，获取无伪迹干扰的皮层诱发电位；在各种不同刺激条件下，ICA算法分离后的伪迹与记录到的纯伪迹间的相关系数均大于0.9，证明ICA方法在有效去除伪迹的同时不会引入新的干扰。. 首先结合视觉刺激与视神经在体电生理记录方法，使用伪随机稀疏噪声视觉刺激对视神经植入电极上记录到的复合动作电位进行相关分析，对视神经电极电刺激位点及位于初级视皮层的记录电极阵列进行空间视野拓扑位置定位，得到视皮层的视觉拓扑投射关系。之后在同一根视神经植入电极上施加电刺激，在视皮层上记录电刺激诱发的皮层响应。结果表明电刺激诱发的皮层最大响应点位置在视野拓扑图上的位置和视神经刺激位点对应的视野位置一致，验证了使用伪随机稀疏噪声视觉刺激方案进行视神经电极刺激位点定位的可行性；进一步统计分析表明皮层最大响应和视神经刺激位点的视野拓扑位置差为1.7 ± 0.8°；视神经中相距150μm的两个刺激位点可诱发不同空间分布的皮层响应，其最大响应点位置在视野中相距2.6 ± 0.8°；眼球后1～2mm是适宜的刺激微电极植入位点，视神经刺激位点空间视野位置与视神经电刺激诱发的皮层最大响应位点具有较好的视野拓扑投射关系。研究成果发表在Journal of Neural Engineering等国际重要学术期刊上。. 对两只实验猴实施了手术，在其头部植入固定棒，眼球植入测量眼动的线圈，在V1区植入96通道犹他电极阵列3次，初步得到单神经元记录。. 在基金项目资助下，目前已培养研究生5名，发表SCI论文4篇，国际学术会议7篇。