成果汇编：北师大吕海东课题组近几年在视觉皮层解析取得系列进展

01

2022年4月5日，《PNAS》在线发表了北京师范大学认知神经科学与学习国家重点实验室吕海东课题组的研究成果。这项研究揭示了猕猴视觉通路中不同视觉脑区（V1，V2，V4）朝向表征的各向异性。

视觉神经元的朝向选择性是形状视觉的基础。自从Hubel和Wiesel关于朝向选择性的开创性工作以来，已经有很多深入的研究。有意思的是，偏好不同朝向的神经元在视皮层的分布是不均匀的。在很多哺乳类动物中，偏好水平和垂直朝向的神经元数量比其它朝向的神经元要多，这种现象称为“主轴优势”（cardinal bias）。另外也有研究发现了和视野所在位置有关的 “径向优势”（radial bias）。这些都可能和自然图像中朝向信息的丰度有关。

图一  朝向分布的各向异性示意图。A：视觉刺激示意图，五角星为视野中心，方块光栅为刺激呈现位置。右侧4个光栅为实验中用到的4个刺激朝向。B：主轴优势模型中的朝向分布。C：径向优势模型中45度位置的朝向分布。D：主轴+径向优势的混合模型。

在灵长类动物上，是否存在这种朝向不均匀尚无定论，已发表的多个电生理研究结果互相矛盾。另外，高级视觉脑区是否具有这种朝向不均匀性也还不清楚。了解皮层的朝向分布对研究视觉信息的层级加工具有重要意义。

吕海东课题组分析了他们实验室多年积累的猕猴视皮层内源信号光学成像数据，系统比较了V1，V2和V4三个重要脑区的朝向的分布情况。他们发现，三个脑区均存在显著的朝向不均匀性，但分布规律有所不同：V1和V2的分布可以用“主轴优势+径向优势”的混合模型来描述，形成对均匀分布约18%的调制；而V4则表现出纯的主轴优势，调制幅度为26%。这些现象在左右半脑和不同的视野离心度都一致，也不依赖于动物的年龄，性别，或不同的动物亚种。

图二  A: 一个猕猴视皮层V1朝向功能图的例子，不同颜色代表不同的朝向偏好。B: 本研究所涉及的下部视野的示意图和所得到的结果总结。V1的朝向分布不仅具有主轴优势（红色），还具有径向优势（蓝色），因此该分布随视野位置而变化，左右视野的分布有区别。而V4则主要表现为主轴优势，幅度较大，不随视野位置变化，左右视野分布一致。

该工作的重要发现之一是视觉通路中存在不一样的朝向分布。作者提供的一个可能的解释是：V1/V2处于视觉信息处理的前端，它们的信息要尽可能和外界朝向的丰度一致，以忠实地提取外界的信息，供后续不同的用处。而位于腹侧通路中的V4则选择性地接受了V1和V2中对物体识别而言重要的信息。另外，V1/V2神经元的感受野较小，主要处理局部的朝向信息，而V4神经元感受野较大，涉及整体的朝向信息。这两类朝向信息在自然界中的分布也存在不同。

该工作是首次用内源信号光学成像方法揭示猕猴视皮层的朝向不均匀性。他们的发现揭示了灵长类视觉皮层朝向的不均匀表征，以及不同脑区的区别。该发现不仅解决了该领域的长期困惑，而且对我们了解视皮层怎样表征和处理外界视觉信息的提供了帮助。

该论文第一作者为吕海东教授的博士研究生方辰，实验室成员蔡幸雅在研究中做出了贡献。北京师范大学系统科学学院王大辉教授提供了宝贵的建议。实验室其他成员也参与了部分工作。该研究工作得到了国家自然科学基金的支持。

论文链接：

Fang C, Cai X, Lu HD (2022) Orientation anisotropies in macaque visual areas. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 119(15)e2113407119.

https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2113407119

02

2022年1月3日，《Brain Structure and Function》在线发表了北京师范大学认知神经科学与学习国家重点实验室吕海东课题组的研究成果。这项研究揭示了灵长类视觉皮层之间不同信息的并行投射。

视觉通路中有不同的神经元处理颜色，形状，运动等视觉特征。这些信息在加工中不断整合，最终形成了完整的视觉。在视觉通路的关键脑区V2和V4，存在着处理颜色，朝向和运动信息的功能模块，然而，我们并不清楚它们之间是否存在并行的，功能特异性的轴突投射。

这项工作在灵长类动物猕猴上展开，研究者首先利用内源信号光学成像进行功能定位，在V4找到了朝向，颜色，和运动功能区。然后在这些功能区分别注射了不同荧光色彩的CTB逆向示踪剂。注射点处来自V2的轴突吸收了这些示踪剂，逆行运输至V2的神经元胞体，这些跨脑区投射的神经元胞体就会被染上荧光。通过对离体的脑组织进行细胞色素氧化酶（CO）的染色，他们发现，被荧光标记的V2神经元位于不同的CO条带上，呈现非常明显的间隔分布（图一）。其中，注射到V4颜色功能区的示踪剂逆行标记了V2窄带（thin stripes）的神经元，而注射到V4朝向功能区的示踪剂标记了V2浅带（pale stripes）的神经元。

图一  V4不同功能区的逆行示踪标记了V2的不同条带。上图为猕猴大脑示意图及V2位置，上图右侧为在V4注射不同荧光示踪剂后在V2标记到的细胞。下图为V2所有标记细胞的统计，在V4不同功能区注射的示踪剂逆向标记了V2的不同条带。

在V2，不同的条带具有不同功能偏好的神经元。窄带有较多的颜色偏好的神经元，而浅带有较多的朝向偏好的神经元。通过分析V4注射点功能强度和标记细胞在V2条带分布之间的相关性，他们总结出了V2到V4的投射模式（图二），即这两个脑区间存在颜色和形状信息的并行连接特征。而两个脑区的运动处理模块之间却没有看到类似的连接特征。

图二  V2对V4的并行投射总结图。V2内处理颜色信息的窄带(thin stripes)投射到V4的颜色功能区。V2处理朝向的浅带(pale stripes)投射到V4的朝向功能区；V2处理运动和深度的宽带(thick stripes)主要投射到背侧通路的MT区。

这项研究首次揭示了V2和V4功能区之间的投射关系，以及其分离的并行投射。说明视觉信息在不断融合之外还保留了相对独立的并行处理机制。这种融合和分离共存的现象在视觉信息处理中的功能意义尚待探讨。这些发现对于我们理解视觉皮层的信息处理具有重要意义。

该论文并列第一作者为吕海东教授的博士研究生方辰和闫坤，课题组梁晨、王佳钰、蔡幸雅、张睿等在研究中做出了贡献。国家重点实验室章晓辉教授、舒友生教授提供了宝贵的技术支持。实验室其他成员也参与了部分工作。该研究工作得到了国家自然科学基金的支持。

论文链接：Fang C*, Yan K*, Liang C, Wang J, Cai X, Zhang R, Lu HD (2022) Function-specific projections from V2 to V4 in macaques. Brain Structure and Function. (* equal contribution)

https://doi.org/10.1007/s00429-021-02440-3

03

2021年3月，《eLife》在线发表了北京师范大学认知神经科学与学习国家重点实验室吕海东课题组的研究成果。这项研究揭示了灵长类视觉系统中检测运动轮廓的重要脑区。

人和动物都能够从物体相对于背景的运动中获取其轮廓信息，进而识别该物体。这项能力帮助我们发现具有伪装的昆虫或者运动中的汽车。吕海东课题组的前期研究发现，灵长类视觉脑区V2具有专门处理运动信息的功能区（Lu et al. 2010），这些功能区内的方向选择性神经元有独特的反应特性（Hu et al. 2018）。

此外，V2还对运动轮廓线有朝向选择性并具有朝向功能图（Chen et al. 2016）。这些都表明V2在运动信息处理和运动轮廓的检测中起到重要作用。然而，V2区运动轮廓检测的神经机制及其行为贡献尚不清楚。

在这项工作中，研究者们首先训练猕猴对视觉刺激中轮廓线的朝向进行判断，然后用光学成像进行脑区定位，在V2定点植入多道电极阵列。通过电生理记录，他们发现在V2区有10.9%的神经元对运动轮廓具有朝向选择性（MB神经元），这些神经元的朝向反应具有线索不变的特性。

通过分析动物在朝向判断时V2神经元的电活动，他们证明了MB神经元的反应与动物的选择行为具有相关性。这些方面V2的表现都显著优于初级视皮层V1。

最后，通过分析方向选择性（DS）神经元与MB神经元的活动相关性，以及反应延时的相互关系，证明DS神经元对MB神经元的运动轮廓检测有贡献。

这是首次发现V2区的神经活动与运动轮廓的感知具有相关性，同时提出了运动信息在这过程中的可能作用。这些发现对于我们理解视觉皮层的运动信息处理具有重要意义。

该论文第一作者为吕海东教授的博士研究生马恒，实验室成员李鹏程、胡嘉明、蔡幸雅、宋倩玲等在研究中做出了贡献。该研究工作得到了国家自然科学基金的支持。 

图一. 左图为朝向判断任务的流程和运动边界刺激。中间上下图分别展示了动物的行为曲线和一个示例MB神经元的功能曲线，它们具有相似的特征。右图为V2神经元在动物做运动边界朝向判断时的选择概率（CP）分布，部分神经元个体（灰色区域）以及神经元整体均显示与行为判断的显著相关性。 

图二. 在运动边界的刺激下，MB和DS神经元的活动具有时程上的相关性，而且这种相关性在MB神经元偏好的朝向刺激时更强。

论文链接：

Ma, H., Li P., Hu, J., Cai, X., Song, Q., Lu, H.D. (2021). Processing of motion-boundary orientation in macaque V2. eLife. 10:e61317.

https://elifesciences.org/articles/61317

04

2020年12月1日，《eLife》期刊发表了北京师范大学认知神经科学与学习国家重点实验室吕海东课题组的研究成果。这项研究揭示了一种新的视皮层功能模块：圆弧功能区（curvature domains）。

灵长类的大脑皮层由各种各样的功能模块构成。例如，在初级视觉皮层，具有相同朝向偏好的细胞聚集在一起，形成朝向功能柱；在高级视觉皮层IT区，对面孔有偏好的细胞聚集在一起，形成面孔功能区。然而，中等复杂度的形状是否也有相应的功能模块并不清楚。

 在这项工作中，研究者们利用内源信号光学成像和双光子钙信号成像，在两个不同的空间尺度对猕猴的视皮层进行了研究。他们在处理形状信息的重要脑区V4发现了一种新的，约0.5毫米直径的功能模块，这些功能模块内的神经元对圆弧形状的轮廓线反应很强，而对直线或折线反应很弱。这些功能模块被称为“圆弧功能区”（curvature domains）。 

图一. 通过比较对两种视觉刺激的反应，内源信号光学成像揭示同一成像窗口内V4区的圆弧功能区，即C，D，E图中分布一致的黑色斑块。F图为用来作为对比的该成像窗口内的朝向功能区。

这种圆弧功能区和V4的朝向功能区大小类似，但很少重叠。和朝向功能区不同，圆弧功能区只在V4有，在比较低级的视觉脑区V1和V2则没有。

 在圆弧功能区内，不同神经元的反应还有一些差别。有些神经元对整个圆的反应强，而另一些则对弧线片段的反应强，很多还对弧线开口的朝向有选择性。这些有不同偏好的神经元进一步形成更小的功能亚区。

此外，圆弧神经元并不是只对圆弧反应，它们对其他类型的刺激也有不同程度的较弱的反应，说明V4对圆弧和其他形状的编码是一种群体编码方式。我们的结果和前人的研究都表明，V4神经元的形状表征和处理是复杂的。而圆弧功能区的发现表明一些细胞以一种简单的共性聚集起来。这种有序性的功能意义还需要进一步的探索。

图二. 双光子钙信号光学成像揭示细胞群体对不同图形刺激的反应（D，E），以及单细胞对不同视觉刺激的反应（F）。

图三. 不同功能模块内细胞对多种视觉刺激的平均反应。

这是首次发现处理中等复杂度形状信息的功能模块。V4区圆弧功能区的存在说明圆弧在视觉信息处理中的重要性，以及V4在此处理中的重要作用。

该论文的共同第一作者为博士后汤仁东和博士研究生宋倩玲，实验室研究生李莹、张睿、蔡幸雅也在实验中做出了贡献。该研究工作得到了国家自然科学基金和中国博士后科学基金的支持。

论文链接：

Tang R*, Song Q*, Li Y, Zhang R, Cai X, Lu HD (2020) Curvature-processing domains in primate V4. eLife; 9:e57502 doi: 10.7554/eLife.57502. (* equal contribution)

https://elifesciences.org/articles/57502

课题组文献列表：

Fang C, Yan K, Liang C, Wang J, Cai X, Zhang R, Lu HD (2022) Function-specific projections from V2 to V4 in macaques. Brain Structure and Function. https://doi.org/10.1007/s00429-021-02440-3

Ma H, Li P, Hu J, Cai X, Song Q, Lu HD (2021) Processing of motion-boundary orientation in macaque V2. eLife. 10:e61317.

Tang R, Song Q, Li Y, Zhang R, Cai X, Lu HD (2020) Curvature-processing domains in primate V4. eLife. 9:e57502

Fang Y, Chen M, Xu H, Li P, Han C, Hu J, Zhu S, Ma H, Lu HD (2019) An orientation map for disparity-defined edges in area V4. Cerebral Cortex. 29:666-679.