视觉系统如何向我们展示一个更持久的世界

一项国际合作阐明了有助于准确识别运动图像的机制。

想象一下在街上遇到一个朋友，想象他们每走一步，你的视觉系统必须从头开始处理他们的图像，以便识别他们。现在想象一下，如果在我们周围移动的每一个物体和生物都会发生同样的事情。我们将生活在一个不断的不确定和不一致的状态中。幸运的是，事实并非如此。

我们的视觉系统能够保留在运动中获得的信息，从而为我们呈现更一致的周围环境画面。这些是 SISSA 与宾夕法尼亚大学和鲁汶大学合作进行的一项研究的结果，该研究发表在Nature Communications上，解释了这种现象的神经元基础。

“所有感官系统的最大挑战之一是保持对我们周围环境的一致表示，尽管我们周围不断发生变化。视觉系统也是如此，”Scuola Internazionale Superiore di Studi Avanzati (SISSA) 视觉神经科学实验室主任 Davide Zoccolan 解释道。“看看我们周围：物体、动物、人，都在移动。我们自己也在移动。这会触发视网膜获取的信号的快速波动，直到现在还不清楚相同类型的变化是否适用于视觉皮层的更深层，在那里信息被整合和处理。如果是这样的话，我们将生活在巨大的混乱中。”

一段时间以来，人们已经知道，在视觉刺激呈现后由视网膜产生的信号会到达视觉皮层内的一组连续处理阶段，这些阶段根据微调的层次结构排列。正是这种处理序列使我们能够识别物体或面部，并且无论其角度或位置如何，都可以做到这一点。这已在静态刺激的情况下得到证明，并且可以通过沿皮层层次逐渐建立的图像编码的不变性来解释。

为了研究动态情况下是否存在类似过程，来自 SISSA、宾夕法尼亚大学 (Penn) 和鲁汶大学 (KU Leuven) 的研究人员在 Zoccolan 的领导下，分析了啮齿动物不同视觉皮层区域的神经元产生的信号：动态视觉刺激的呈现。该研究结果已发表在 《自然通讯》上。

“我们使用了三个不同的数据集：一个由 SISSA 的 Liviu Soltuzu 收集，一个由 KU Leuven 的 Kasper Vinken 在 Hans Op de Beeck 领导的小组中收集，另一个由西雅图艾伦脑科学研究所免费提供，”科学家。“每个人使用的视觉刺激都是不同类型的。在 SISSA 中，我们制作了专门的视频剪辑，展示了以不同速度移动的物体。其他数据集是使用各种剪辑获得的，包括电影。”

接下来，研究人员通过结合由宾夕法尼亚大学的 Eugenio Piasini 和 Vijay Balasubramanian 与 SISSA 科学家（Liviu Soltuzu、Paolo Muratore 和 Riccardo Caramellino）合作开发的复杂算法和模型，分析了视觉皮层不同区域记录的信号。研究人员开发了一个理论框架，以帮助将电影中的图像与特定神经元的活动联系起来，以确定神经信号如何在不同时间尺度上演变。

Balasubramanian 解释说：“这门科学的艺术正在寻找一种分析方法，以表明随着大脑越来越深入，视觉图像的处理会变得越来越慢。” “不同层次的大脑在不同的时间尺度上处理信息——有些事情可能更稳定，有些事情可能更快。很难判断时间尺度是否在整个大脑中发生变化，因此我们的贡献是设计一种方法来做到这一点。”

无论视觉刺激的性质如何，结果都保持一致：“我们观察到在视觉系统的更深阶段记录的神经元反应的持久性增加，这是一种‘感知恒常性’，保证了视觉编码的一定程度的稳定性。信息并消除在早期视觉区域观察到的波动”Zoccolan 解释道。“而且不仅如此。我们还注意到一种形式的“内在”持久性随着视觉区域的层次而增加。在更深的区域，即使在刺激消失后，神经反应也会保持几百毫秒，这保证了图像编码的最短持续时间，这反过来又确保了信息得到正确处理，并且对刺激是正确校准的。”

视觉系统似乎已经制定了一种理想的策略，可以为我们提供一个更一致、更安全的世界：一方面限制过快的波动，另一方面确保我们不会丢失潜在的有价值信息。