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心理学系方方教授课题组发现知觉训练可以在成人大脑中诱发脑区间功能替代

时间:2016-05-31 09:23  作者:  来源:心理学系

  2016年5月17日出版的《美国国家科学院院刊》(Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of AmericaPNAS)刊发了北京大学心理学系和麦戈文脑科学研究所方方教授课题组的研究论文“Perceptual learning modifies the functional specializations of visual cortical areas”, 报道了该课题组在知觉学习和成年人大脑可塑性领域的重要进展。论文通讯作者是方方教授,第一作者是心理学系毕业生陈霓虹博士。研究合作者包括北京大学心理 学系蔡鹏博士、中科院生物物理所周天罡副研究员以及加拿大滑铁卢大学眼科与视觉科学学院Benjamin Thompson副教授。

  在人类适应环境的过程中,我们的感知觉系统时刻进行动态调整以更好地加工外部刺激输入,形成优化的信息表征并针对特定任务产生正确的决策。反复的知 觉学习或知觉训练更是能够显著提高几乎所有的知觉能力。比如,有经验的影像科医生能快速准确地从CT图像上辨别出肿瘤的位置;乒乓球运动员能精准地判断出 球的运动方向和速率;老年人可以通过训练提高对比度知觉,从而提高驾驶安全。

  方方教授课题组结合功能性磁共振脑成像、经颅磁刺激和心理物理实验手段,发现知觉学习效应能够从习得的视觉任务迁移到未学习的视觉任务,导致正常成 年人视觉系统的脑区功能的重塑。在这个研究中,成人被试练习对纯运动信号的方向进行辨别,这个学习效果可以迁移到含噪声运动信号的方向辨别中。在知觉训练 前,通过施加持续短阵快速脉冲刺激(coutinuous theta-burst stimulation, cTBS)干扰特定脑区活动,经颅磁刺激实验结果表明, 视皮层V3A区和颞中回视觉运动区(MT+)在纯运动和噪声运动这两种任务中具有双分离的、因果的决定性作用。而知觉训练后,颞中回视觉运动区在噪声运动 任务中的决定性作用被V3A脑区所取代。进一步地,课题组应用多体素模式分析方法(multi-voxel pattern analysis, MVPA)考察功能性磁共振成像实验结果,发现上述功能替代现象伴随着V3A区对两种任务视觉刺激的神经表征的精确度提高,具体表现为支持向量机 (Support vector machine, SVM)分类器解码正确率的提高,以及线性判别分析(Linear discriminant analysis, LDA)中视觉刺激表征距离的增加。以往研究侧重知觉学习对单个神经元和局部神经元群集的活动特性影响,以上发现突破了这个局限,为知觉学习改变成年人视 觉系统的脑区固有功能提供了有力证据。该研究揭示了成人大脑皮层的深度可塑性——即便在被认为功能分区相对固化的视觉系统内,后天知觉训练可显著改变既往 的脑区功能。人类神经系统能够根据不同脑区的神经表征精确度,动态调节它们在知觉决策中的贡献。

  美国布朗大学讲席教授Takeo Watanabe和Yuka Sasaki随后在PNAS上以“V3A takes over a job of MT+ after training on a visual task”为题发表专文评述这个研究。他们称,许多研究者通常认为,在视觉发育关键期之后,感知觉能力不会再发生明显变化。而陈霓虹等通过精巧的实验设计,发现知觉学习会导致脑内功能的大尺度变化,挑战了传统的脑可塑性理论和观点。

  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。


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