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【elife】浙江大学Anna Wang Roe教授和胡嘉明特聘研究员团队发文揭示空间频率信息在V2和V4区中的表征规律

[发布人]:史佳鑫[发布日期]:2023-02-17[访问次数]:823

近期,Anna Wang Roe教授胡嘉明特聘研究员团队《eLife》杂志在线发表题为“Spatial frequency representation in V2 and V4 of Macaque monkey”的最新研究成果。该研究利用内源信号光学成像记录了猕猴视皮层V2和V4区在不同空间频率视觉刺激下的活动,揭示了皮层空间中空间频率表征与视网膜拓扑映射、方位表征、颜色表征等的联系,推进了我们对灵长类动物大脑功能结构的理解。

原文链接:https://elifesciences.org/articles/81794


视觉场景中物体的疏密以空间频率(spatial frequency),即每度视场中明暗交替光栅的周期数来表示。空间频率是一个重要的视觉参数,关乎形状、纹理和运动等视觉认知。然而,关于灵长类动物纹外皮层如何编码空间频率,仍有许多问题没有解决。以前的研究表明,视觉皮层内的空间频率偏好总体呈现由中心视野向外周视野逐渐降低的趋势。在功能柱尺度上,V1的低空间频率功能柱与颜色功能柱倾向占据相同的皮层空间,高空间频率功能柱与方位功能柱的变化梯度呈正交分布。但是在纹外皮层(如V2V4区),尚无证据表明空间频率偏好与其他视觉信息选择性之间存在特定的联系。

基于以上背景,研究团队提出以下猜想,与V1中的结果类似,在V2V4中,空间频率信息的表征与离心度、颜色、方位等信息的表征在空间位置上存在较明确的关系,即在局部皮层区域中形成一个能编码空间频率、颜色、方位信息的“超柱”结构,并确保了视觉信息的高效整合(如图1所示)。

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1. 猜想的视觉皮层超柱结构示意图。 A. 皮层对空间频率的整体偏好随离心度减小(外周视野到中心视野)而逐渐增大。B. 在一个局部皮层区域内,空间频率、颜色、方位三种视觉属性在皮层上的空间表征关系。


为了验证以上猜想,研究团队通过内源信号光学成像(ISOI),记录了麻醉猕猴看不同空间频率的黑-白和红-绿全屏正弦光栅视觉刺激(如图2所示)时,V1V2V4区的皮层活动,发现了以下结果。

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2. 实验视觉刺激与成像位置示意图。A.视觉刺激,上下两行分别为不同空间频率的黑白刺激和红绿刺激。B.成像区域示意图(橘色区域为成像区域)。C, D.成像皮层相应的感受野位置示意图。


首先研究团队通过计算,绘制了皮层的空间频率偏好图(如图3所示)。大部分V1区偏好高空间频率,而大部分V4区倾向于偏好低空间频率。从V1V2,再到V4,皮层偏好的空间频率逐渐降低,与之前文献中的发现一致。

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3. 皮层的空间频率偏好图。结果分别来自两只动物(A-D,动物1 E-H,动物2)。A,E.皮层表面血管图。B,F. 空间频率偏好图。C,G. 各脑区中不同频率偏好所占区域比例的分布图。D,H.各脑区平均最优空间频率比较。


研究采用的大视场成像(1.5cm以上)能够捕捉到高度结构化的功能图,并揭示这些功能图在不同空间频率条件下的变化。

研究团队比较了不同空间频率刺激所激活的方位、颜色功能图(如图4所示),结果显示无论是方位还是颜色功能图,随着视觉刺激中空间频率的增加,激活区域逐渐从外周视野对应的皮层区域向中心视野对应的皮层区域移动(如图4C-E所示)。定量分析的结果显示,中心视野对应的皮层区域其在高空间频率信息的处理过程中占据主导地位,而外周视野对应的皮层区域在低空间频率信息的处理过程中占主导(如图5所示)。值得一提的是,V4的中心视野区域对不同空间频率的视觉刺激均表现出较强反应。这一结果暗示了V4中心视野较强的视觉信息处理能力。此外,成像结果显示,如果仅测试个别空间频率,将无法获得完整的皮层功能图(参见图4A, BC, D),无法准确地描述皮层中各性质的空间位置表征特性。


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4. 不同空间频率刺激所获得的V4功能图。A, B. 分别由DE中各空间频率的激活区域叠加产生的总方位、颜色功能图。A. 方位功能图。B. 颜色功能图。C. 不同刺激条件下的皮层活动中心位置比较。 D, E. 左列分别为方位、颜色功能图,右列为对应的激活区域(双尾t检验,p<0.01)。F, G. 沿M-L方向,不同位置处所激活的功能柱在各空间频率刺激下的面积百分比。


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5. 中心视野与外周视野皮层区域中,颜色、方位功能柱激活面积百分比随空间频率的变化。A. 中心视野及外周视野对应皮层区域示意图。B,C.两区域中激活的不同功能柱(颜色功能柱:橘色线条;方位功能柱:蓝色线条)区域占该空间频率下V4全部激活功能柱区域的比例变化。颜色功能柱的数据来自3个半脑的4次实验;方位功能柱的数据来自5个半脑的7次实验。


在获得了同一区域的功能图后,就有可能不同视觉信息属性表征之间的空间关系。如图6所示,研究团队分析了皮层中方位图中的方位变化梯度与空间频率图中的频率变化梯度之间的关系。结果显示,在V2V4中的方位选择性区域内(如图6B, F, J, N中的白色区域),方位和空间频率属性的梯度线夹角以大角度(60°-90°)为主(倾向正交,如图6D-O所示);而在非方位选择性区域内(见图6P-U),则不存在这一现象(如图6P-U所示)。

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6. V4V2的方位功能图与空间频率功能图的关系。A. 方位偏好图,不同的颜色代表不同的方位偏好。B. 方位选择强度图,灰度代表归一化方位选择性强度,0:无方位选择性;1:仅对特定方位响应,强方位选择性。C. AB的综合结果,方位选择性偏好图,青色框为分析的示例区域:一个V2区域(D-G),两个V4区域(H-KL-O),两个非方位选择性V4区域(虚线框,P-RS-U,作为参照)。D, H, L, Q, T. 等空间频率梯度线(红线)和等方位梯度线(蓝线)。E, I, M, P, S.对应的方位选择性偏好图。F, J, N. 皮层中方位选择性较强的区域(白色区域),归一化方位选择性强度在0.5以上。G, K, O, R, U. 所选区域方位与空间频率梯度间夹角分布,虚线表示随机角度分布的预期值(11.1%)。V. 夹角分布比较,分别为方位选择性区域(n=15)的0-30°30-60°60-90°组,及非方位选择性区域(n=6)的60-90°组。


研究团队也分析了空间频率功能柱与颜色功能柱之间的关系。结果显示在V2V4区中,颜色功能柱更倾向于在空间位置上与低空间频率功能柱绑定。此外,成像结果还显示,在V2中沿着V1-V2边界的方向上,存在空间频率偏好的周期性波动,这种波动形式与颜色选择性在V2中的波动类似,但两类波动间存在一定的相位差异(如图7所示)。


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7. 颜色功能柱与低空间频率功能柱在空间位置上关系紧密(A-D: V4; E-M: V2)。A,F.空间频率功能图,黑色区域偏好高空间频率,白色区域偏好低空间频率。B,C.V4低、高空间频率功能柱(灰色半透明区域)与颜色功能柱(橙色半透明区域)位置比较。D.V4颜色功能柱中低、高空间频率选择性区域所占比例统计结果。E,G,H.颜色功能图。G,HE中黄蓝两方框区域的放大结果。F,I,J.对应的空间频率功能图(F)及偏好图(I,J)。K,L. V2颜色选择性与空间频率偏好沿着V1/V2边界方向的变化比较。M.V2中颜色选择性与空间频率偏好的周期性波动示意图。


综上所述,研究团队通过视觉皮层大视场内源信号光学成像,研究了V2V4区中空间频率信息与离心度、方位、颜色信息在皮层空间位置上的表征关系。结果证明:(1) V1类似,V2V4区对空间频率的编码随离心率减少,逐渐由低空间频率向高空间频率转变。但V4中心视野对应区域具有广泛的空间频率响应,具有处理复杂多变图像信息的能力。(2) 空间频率与方位信息梯度正交。与已知的V1结果类似,在V2V4中,方位和空间频率信息梯度倾向于相互正交,使得在有限的皮层空间内,能够表征较完整的信息组合。(3)V1类似,在 V4V2中,颜色功能柱与低空间频率功能柱联系紧密。因此,自V1V4,视皮层采用了较为保守的结构形式,来表征空间频率、形状(朝向)、颜色等信息。所得结果,进一步推进了我们对于灵长类动物视皮层结构和功能的认识。


浙江大学医学院系统神经与认知科学研究所/医学院附属第二医院/脑科学与脑医学系Anna Wang Roe教授胡嘉明特聘研究员Kenneth E. Schriver副教授为本文共同通讯作者博士研究生章颖第一作者。本研究受到了中国脑计划、国家重点研发计划、国家自然科学基金、中国博士后科学基金等的资助。实验室长期招聘对系统神经科学研究领域有浓厚兴趣的博士后、研究生。如有意向,请将个人简历发送至以下邮箱:hujiaming@zju.edu.cn



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