轮廓整合的大脑可塑性机制：结合功能磁共振成像和经颅磁刺激的研究

Contour integration, the way by which the visual system groups discrete elements embedded in the noise background into a whole contour, is a critical step that bridges primary sensory processing and higher-level object perception. However, the brain plasticity of mid-level perception is still less understood because its complexity. We propose to adopt the classic perceptual learning paradigm which is commonly used in plasticity research to systematically study the plasticity of contour integration on the behavior level, neural activity and circuit level and the cause relationship between behavior and neural circuit level. Specifically, this project will examine whether contour type or contour shape is learned in contour integration learning through the behavioral measurements with stimuli specificity and transfer. On the neural mechanism level, this project will use fMRI to investigate how the perceptual learning modulate the spatial neural representations in early visual areas and the weight of connections between cortical areas. Furthermore, this project will use double-pulse TMS to directly test how contour integration learning modulates the recurrent interaction between high- and low-level cortical areas, which aim to causally investigate the neural codes of contour integration learning. This project will not only provide novel experimental and theoretical evidence about the mechanism of contour integration and its plasticity, but also provide theoretical contribution for the better understanding of the neural mechanism of visual perceptual learning.

轮廓整合是指将隐含在嘈杂背景中的离散元素组合为轮廓线整体的过程,是连接初级感觉和高级客体知觉间的功能桥梁。由于中级视知觉的复杂性，其可塑性机制仍有待系统研究。本项目拟采用可塑性研究中经典的知觉学习范式, 从行为、神经活动及二者的因果关系层面，对轮廓整合的可塑性机制进行系统研究。具体来说，在行为层面,我们将从知觉学习的刺激特异性和迁移性角度，回答轮廓整合学习究竟是轮廓类型学习还是形状学习。在神经机制层面,研究拟运用功能磁共振成像 (fMRI)技术考察知觉学习对轮廓加工的大脑区域内空间编码方式及区域间功能连接强度的调节; 并拟运用双脉冲经颅磁刺激（double-pulse TMS）技术,考察轮廓整合学习对低级和高级皮层区域间回返机制的调节，为学习的发生方式提供因果证据。本项目将为大脑的轮廓整合可塑性机制提供系统的实验和理论证据,也将为完善知觉学习理论作出实质性贡献。

物体轮廓线是具有生存意义的信息，长期的进化使得视觉系统非常擅长于轮廓加工。前人研究发现短期知觉训练可以提升轮廓探测能力，但是目前其大脑可塑性机制还有待系统研究。本项目结合知觉学习范式和轮廓探测范式, 从行为和神经机制层面对轮廓整合及其可塑性机制进行了系统研究。在行为层面，本项目以知觉学习的刺激特异性和迁移性为切入点探究轮廓整合学习的本质。研究发现轮廓整合学习表现出轮廓类型的特异性，在路径和朝向维度中表现出迁移性，表明轮廓探测知觉学习的本质是对轮廓类型的学习，提示轮廓整合学习涉及不同层级多个脑区的可塑性改变。在神经机制层面，研究结合掩蔽范式和功能磁共振成像 (fMRI)技术考察轮廓加工的神经基础。研究发现高级视皮层最早编码轮廓信息，随后是中级视皮层，最晚的是早期视皮层。这些结果提示轮廓加工需要多层级脑区区域间协同加工机制的参与。基于群体感受野分析的结果显示，早期视皮层以轮廓相对背景信号增强的方式在空间层面表征轮廓，说明信息从高级视皮层反馈回早期视皮层后，得以进一步精细加工。这些研究结果提示高低级脑区的协同作用在轮廓整合中起到关键作用。在因果层面，利用功能磁共振成像引导的经颅磁刺激技术（fMRI-guided TMS）考察知觉学习对不同层级脑区信息表征的影响。研究发现，在刺激延迟阶段，训练前干扰初级视皮层的神经活动会有损被试的行为表现；知觉训练后，干扰初级视皮层和顶内沟均会降低行为表现。这些结果说明初级视皮层在训练前后都参与了对刺激的记忆表征，而顶内沟则仅在训练后参与表征，结果提示知觉学习调节了大脑多层级信息表征模式，为学习的发生方式提供了因果证据。本研究结合行为和认知神经科学领域的研究方法，利用来自多种技术的数据证明轮廓整合及其大脑可塑性机制涉及高低级多个脑区共同的可塑性改变。在理论上，本研究为轮廓整合及其大脑可塑性机制提供了新的证据，也为完善知觉学习理论做出了实质性贡献；在应用上，或将有助于启发人工智能的迁移学习算法的改进，也为特定人群感知能力增强和治疗方案提供了理论基础。