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2020-01-05 16:32栏目:生命科学
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Communications》发表了北京大学心理与认知科学学院、北京大学麦戈文脑科学研究所、北大

清华生命科学联合中心方方教授课题组和罗欢研究员在人类注意机制方面的重要进展。该研究通过重建人脑同时注意多个特征时的神经表征,首次揭示了注意在特征空间的 “节律性探照灯” 加工模式。论文题目为“Competing rhythmic neural representations of orientations during concurrent attention to multiple orientation features”。

面对外界海量信息,人脑需要把有限的注意加工资源进行合理分配。当注意加工资源集中于某个非空间特征的时候,个体对整个视野范围内所有包含了目标特征的视觉客体的感知都会变得更加敏锐。这种注意过程被称为基于特征的注意。在目标对象位置未知的时候,基于特征的注意能够帮助个体快速寻找并定位潜在目标对象的准确位置。在复杂的视觉情境下,个体往往需要同时对视野空间中多个视觉特征进行加工,例如篮球运动员准备传球时,需要同时关注己方队员和对方队员的运动方向,以规划最优传球路线。因此,大脑如何同时注意多个视觉特征就成为了视觉科学领域所关心的重大问题。

解决这一问题的关键是在人脑神经活动中标记和追踪注意过程中每个目标特征的神经表征的动态变化过程,而前人研究中的技术范式却难以做到这点。功能磁共振成像虽然具有高空间分辨率,但时间分辨率较低,无法捕捉神经活动的动态过程。而脑电图虽然有高时间分辨率,但空间分辨率较低,无法精确刻画神经活动的空间模式。此外,对人脑活动的非侵入式记录往往反映了成千上万神经元的协同活动,因此还需要基于计算模型对每个特征的神经表征信息进行还原。为此,研究团队采用了同时具有较高时间和空间分辨率的脑磁图技术记录人类同时注意多个视觉特征的大脑活动,并创新性通过逆向编码模型,在毫秒级别上重构了各个注意目标特征表征的动态变化过程。IEM 将脑磁图信号分解为一系列朝向信息通道 (orientation information channel) 响应的线性和,并通过估计各通道的线性权重,还原信息通道的响应。在实验过程中,被试同时注意两个朝向。与此同时,研究团队逐时间点还原各信息通道的瞬时响应并进行分析。结果发现,大脑并没有将注意资源在两个目标特征之间并行分配,而是以每 200-300ms 的速度在多个特征间进行交替切换。这表明在同时注意多个特征的过程中,大脑采用了一种超越了物理空间的“节律性探照灯”, 在特征维度空间中交替对各个目标特征进行增强。研究团队进一步在行为层面上验证了这种节律性的特征注意模式,并建立了相应计算神经模型。结果表明,这种多特征间的节奏性交替增强可能来源于神经元群体之间的局部竞争,而不是全局范围的反馈调制。这些研究结果从行为、神经和计算模型多个角度一致系统地揭示了多特征注意加工的神经机制,首次发现了特征空间中的“节律性探照灯”,填补了该领域的空白,也为类脑人工智能提供了来自于人脑启发的动态信息组织原则。

方方教授课题组成员、北大 - 清华生命科学联合中心已毕业博士生莫测为该论文第一作者,方方教授与罗欢研究员为论文的共同通讯作者,论文其他作者包括方方教授课题组博士生鲁君实、本科生吴苾婵和已毕业博士生贾建荣。该工作得到了国家自然科学基金委与北京市科学技术委员会的资助。

论文链接:

视觉系统在每时每刻都会收到大量信息,注意过程需要选择重要的信息进行优化加工(“选择性注意”)。以往大量研究都集中在对一个物体的选择性注意方面(注意一个而抑制其它)。然而,自然视觉场景往往包含多个物体,大脑是如何在时间空间上灵活分配注意资源来达到对多个物体的采样呢?

2019 年 11 月 20 日,《Nature

该研究由国家自然科学基金优秀青年项目和面上项目资助完成。

近日,北京大学心理与认知科学学院、麦戈文脑科学研究所罗欢课题组在PLoS Biology发表研究论文“Sequential sampling of visual object during sustained attention”(Jia et al., 2017)。PLoS Biology以Primer形式对该工作进行了特别评论介绍(Jensen & Vissers, 2017)。该研究采用脑电图结合认知行为实验发现了视觉注意对多个物体的序列采样机制。论文通讯作者是罗欢研究员,第一作者是生命科学联合中心博士研究生贾建荣。研究合作者包括北京大学心理与认知科学学院、麦戈文脑科学研究所方方教授、刘玲博士。

该研究中,罗欢课题组采用视觉注意范式结合时间响应函数(temporal response function)的方法从人类大脑的整体脑电活动中分离出多个物体各自的神经响应活动。实验发现即使当前任务只要求注意一个视觉物体时,注意采样却仍然以大约200-300毫秒的节奏在两个物体间进行切换,即反映出一种序列加工模式。这一序列加工过程是通过对alpha频段(~10Hz)神经活动进行时空调控来实现的。这种序列加工模式会随当前任务所要求的注意分配而进行相应改变,当任务要求在多个物体上的注意分配更均匀时,序列采样模式变得更为明显。

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