微電流刺激揭示靈長類紋外視皮層在光流導航中的關鍵作用

9月19日，《Nature Communications》期刊線上發表中國科學院腦科學與智慧技術卓越中心（神經科學研究所）顧勇研究組題為《獼猴紋外視覺皮層中光流訊號對橫滾旋轉感知的因果貢獻》的研究論文。該研究結合清醒獼猴電生理記錄和微電流刺激神經操縱技術，為檢驗獼猴紋外視覺皮層中的橫滾旋轉訊號與旋轉感知覺之間的相關性提供了因果充分性的直接證據。

Background

“光流”是機體在環境中發生位移時，外界物體投射在視網膜上的一種放射狀模式，可以被大腦用來推斷自身狀態的變化，在日常生活中的姿態控制、空間定向、定位導航中發揮重要的作用。光流也被廣泛應用到現代社會的自動駕駛和無人機巡航中。對於光流的大腦基礎，以往研究表明靈長類動物中的紋外視皮層，例如背側內顳上區（MSTd）的神經元具有豐富的編碼，並且其中的線性平移訊號貢獻於航向感知（Heading），但背側內顳上區中還富含旋轉訊號，比如沿著視線方向軸旋轉的橫滾訊號（Roll），甚至更高階的混合訊號更為常見，如螺旋（Spiral），這些訊號是否直接參與光流空間感知尚未可知。

圖1。 獼猴光流感知的行為學任務正規化

a 三維空間中的橫滾旋轉（左）、平移航向（中）示意圖，以及組合形成的空間座標系（右）。

b 四選項抉擇正規化中各事件流程圖。每次試驗都以獼猴盯住螢幕中央注視點開始，隨後注視點周圍對稱地出現四個待選目標點（上、下、左、右），分別對應順時針-逆時針旋轉，和左-右航向的光流運動。

c 精細方向辨別任務（左圖）和粗糙方向辨別任務（右）中光流模式示意圖。

為了回答這個問題，顧勇研究組訓練獼猴進行一個全新的四選項的抉擇任務，該任務要求獼猴根據光流刺激辨別橫滾旋轉方向（順時針還是逆時針），或水平面上的平移航向（向左還是向右）。在獼猴進行行為任務的同時，研究人員利用微電流刺激技術選擇性地操縱背側內顳上區中一小群神經元的活動，並觀察此時獼猴對光流感知的判斷。實驗結果表明，人工操控MSTd的神經元活動不僅會顯著地偏移獼猴對平移航向的感知，也會顯著地偏移其對橫滾旋轉方向的感知，並且這種感知偏移往往與被操縱神經元的方向偏好性保持一致，也就是可以被神經元的編碼特徵所預測。此外，微電流刺激還同時會改變獼猴在橫滾旋轉與平移這兩種光流模式間的選擇。這些實驗結果表明，儘管背側內顳上區中的橫滾旋轉訊號經常與平移航向資訊混合，形成一個高階的訊號，但這些訊號可以被下游腦區讀取，根據任務需要負責產生旋轉或平移航向的感知。因此，該工作不僅驗證了靈長類動物紋外視皮層在光流空間感知中的因果貢獻性，併為該腦區神經元資訊的解碼方式提供瞭解答。

圖2。 微電流刺激背側內顳上區偏轉光流感知

a 微電流刺激效果的例子。藍色符號表示橫滾旋轉方向辨別任務，紅色符號表示平移航向向辨別任務，橙色符號表示微電流刺激試驗，發生了對光流感知的偏移。

b 微電流刺激誘導獼猴在四選項抉擇任務中感知覺偏差的總體的結果，正號代表偏移方向與被操控神經元的編碼特徵一致，符合預期，負號代表相反，即“意外”情況。

該研究由博士研究生李文灝、魯健羽、朱子康在顧勇研究員的指導下完成。該工作獲得了科技部、中國科學院、上海市科委的資助。

原標題：《微電流刺激揭示靈長類紋外視皮層在光流導航中的關鍵作用》