运动信息在视觉感知中的不同作用及其神经编码机制

In humans and other primates, it is traditionally believed that visual motion is processed in the dorsal visual areas (e.g. area MT). However, considerable numbers of motion-sensitive neurons also exist in other visual areas (e.g. area V2). Our previous studies found that these neurons are clustered and form functional columns in these non-dorsal areas (Lu et al. 2010, Neuron; Li et al. 2013 Neuron), and involve in detection of motion boundaries (Chen et al. 2014, Cerebral Cortex). Several important questions remain: How motion information is coded in these neurons? Is this coding different from the classical motion coding in the dorsal areas? How they contribute to the visual perception? Here we propose to study these questions in area V2 at following three levels: cellular, local network and behavior. Results from these studies will enable us to uncover the coding strategy of V2 motion processing and its functional importance. Furthermore, by comparing coding strategies in the dorsal and non-dorsal areas, we are one step closer to drawing an overall picture of how motion is processed in the brain.

在人和其他灵长类动物中，视觉运动信息通常认为是在背侧通路脑区（如MT区）处理的。然而在其他视觉脑区（如V2区）也存在相当数量的对运动敏感的神经元。我们先前的研究发现这些神经元聚集在特定区域而形成功能柱结构（Lu et al. 2010 Neuron；Li et al. 2013 Neuron），并且参与运动边界的检测（Chen et al. 2014 Cerebral Cortex）。这些神经元是怎样编码运动信息的？和传统的背侧通路编码有何区别？这种编码又是怎样对认知行为产生贡献的？人们对这些基本问题还不清楚。本项目中我们拟从单细胞、局部网络、行为三个层面深入研究V2区对运动信息的编码特征及其功能意义。并通过和背侧通路编码相比较来全面了解视觉运动信息在大脑中的处理机制。

在现有的灵长类视觉系统的知识框架中，一般认为视觉运动信息是在背侧视觉通路（V1-MT-MST）中进行处理的。然而，腹侧通路（V1-V2-V4-IT）的各个脑区也有大量的携带运动信息的神经元，其数量甚至超过背侧通路。这些神经元的性质和认知功能我们尚不清楚。本项目从单细胞、局部网络、行为这三个方面深入研究了腹侧通路脑区对运动信息的编码特征及其功能意义。并通过与背侧通路的比较来全面了解视觉运动信息在大脑中的处理机制。我们发现V2处理运动信息的神经元有独特的感受野反应特征，和背侧通路神经元有较大区别。这些反应特征更适合进行运动物体的轮廓检测。形态学示踪结果表明这些神经元更多地与脑区内同类神经元之间形成连接。清醒猴行为实验也证明了V2对运动轮廓识别的认知贡献。这些结果表明腹侧通路有较强的运动信息处理能力，其处理机制和功能与背侧不同，主要服务于形状的检测与识别。这些结果对理解视觉双通路模型及V2的功能定位有重要意义。