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方方教授课题组发现知觉学习诱发人脑皮层下核团的可塑性
日期: 2016-12-08  信息来源: 心理与认知科学学院

2016年12月5日,北京大学心理与认知科学学院、麦戈文脑科学研究所及北大-清华生命科学联合中心方方课题组在Current Biology发表研究论文“Perceptual learning of contrast detection in the human lateral geniculate nucleus”,证明知觉学习可以增强人脑皮层下核团-外侧膝状体的神经活动。论文通讯作者是方方教授,第一作者是生命科学联合中心博士研究生余亲林。研究合作者包括中科院生物物理所张朋研究员、西南大学邱江教授。

人的大脑在一生中都会受到知觉经验的影响而不断产生变化。知觉学习是一种通过训练从而提高人类知觉能力的行为范式,该范式已广泛应用于研究成人大脑的可塑性。丘脑是感觉信息处理的关键皮层下脑区,视、听、触等信息都需要经过它的中转和变换,再投射到大脑皮层。以往对成人视觉系统可塑性的研究集中在视觉皮层上,发现了视知觉学习的多种神经机制,包括信号增益、锐化、易化、降噪和再分权等。学术界通常认为皮层下核团在发育的关键期后已不具备可塑性,也没有研究考察知觉学习能否导致皮层下核团的神经可塑性。

方方课题组采用单眼低对比度棋盘格探测任务,对人类被试进行长达30天的知觉训练。在训练过程中,被试的对比度探测阈限逐日递减。训练完成后,对比度阈限在被试训练眼和训练位置特异性的降低了,证明了该学习效应的眼特异性与位置特异性。与此同时,丘脑中的外侧膝状体对训练眼和训练位置的低对比度刺激的BOLD信号强度也特异性增强,而V1,V2与V3等视觉皮层在训练前后BOLD信号却没有显著变化。该结果揭示了行为阈限的降低得益于外侧膝状体对训练眼和训练位置的低对比度刺激敏感性增强,而非V1,V2,V3等较下游视觉皮层的神经信号变化。

更进一步地,已知外侧膝状体内有六层神经元,外顶部的四层为P细胞,内底部的两层为M细胞。该研究通过采用M与P细胞各自偏好的视觉刺激反复激活外侧膝状体,从空间上将这两类具有不同刺激偏好的细胞分离。

 
分离的M层与P层(第一行是解剖图,第二行是分层结果)

分离后发现,对训练眼和训练位置的低对比度刺激诱发的BOLD信号增强效应只在M层出现,而P层没有学习效应,且训练条件的M层对低对比度刺激的BOLD信号增益可以预测行为的进步量。

 
实验结果

这些结果证明了低对比度探测训练任务能增强外侧膝状体的信号。成人知觉学习引起的神经可塑性不仅仅局限于大脑皮层层面,还可以往上游追溯到皮层下丘脑层面。该研究在国际上首次揭示了知觉学习的皮层下核团神经机制,为知觉学习领域开辟了新的研究方向。

该研究由科技部、国家自然科学基金委和北京大学-清华大学生命科学联合中心资助完成。

编辑:白杨


   
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