大腦的變化使精細的視覺辨別學習成為可能

我們對世界的視覺感知通常被認為是相對穩(wěn)定的。然而，就像我們所有的認知功能一樣，視覺處理是由我們的經(jīng)驗塑造的。在發(fā)育和成年期間，學習可以改變視覺感知。例如，提高對相似模式的視覺辨別能力是一項對閱讀至關重要的學習技能。在《當代生物學》上發(fā)表的一項新研究中，科學家們現(xiàn)在發(fā)現(xiàn)了在學習過程中發(fā)生的神經(jīng)元變化，以提高對密切相關的視覺圖像的辨別能力。

這項由馬克斯普朗克佛羅里達神經(jīng)科學研究所的第一作者 Joseph Schumacher 博士和資深作者 David Fitzpatrick 博士領導的研究建立了一種研究大腦感知學習的變革性方法。研究人員在幾天內(nèi)對大量單個神經(jīng)元的活動進行成像，以跟蹤在學習視覺辨別任務時發(fā)生的變化，并在一種新的動物模型樹鼩中進行這些實驗。

樹鼩是一種小型哺乳動物，具有類似于人類的視覺特性，包括高度的視敏度和大腦中視覺響應神經(jīng)元的類似有序空間排列。正如研究人員所展示的，這些動物還可以學習復雜的行為任務，使其成為理解經(jīng)驗如何塑造視覺感知的理想選擇。在這項研究中，訓練樹鼩以區(qū)分高度相似的視覺圖像：相同的黑線僅在方向上發(fā)生微小變化(22.5 度)。在任務中，以一個方向呈現(xiàn)線條會得到一滴果汁獎勵。幾天后，樹鼩學會了區(qū)分兩個相似的視覺圖像，

科學家們將這一行為任務與 V1 神經(jīng)活動的測量相結(jié)合，V1 是視覺處理必不可少的大腦區(qū)域。該區(qū)域的神經(jīng)元被視覺輸入的特定特征激活，例如明暗邊緣的方向。單個神經(jīng)元對特定的邊緣方向表現(xiàn)出“偏好”，對這些方向反應最高的活動，對遠離首選方向的邊緣的活動逐漸降低或沒有活動。通過這種方式，具有不同方向邊緣的視覺場景會激活特定的神經(jīng)元子集，以生成編碼視覺感知所需信息的神經(jīng)活動模式。

舒馬赫及其同事發(fā)現(xiàn)，樹鼩的視覺辨別學習伴隨著兩個視覺圖像誘發(fā)的神經(jīng)活動模式差異的增強。這主要是由于相對于非獎勵方向的獎勵刺激方向的呈現(xiàn)，神經(jīng)活動量的增加。但這不僅僅是神經(jīng)元對獎勵刺激的反應普遍增加。當科學家們更仔細地檢查這些變化時，他們發(fā)現(xiàn)這是由一個非常特殊的神經(jīng)元子集的活動變化所介導的：這些神經(jīng)元的方向偏好對于區(qū)分獎勵刺激和非獎勵刺激的方向是最佳的。

為了充分了解學習對視覺感知的影響，作者接下來研究了改善視覺辨別力的神經(jīng)元活動的變化是否在學習的任務環(huán)境之外持續(xù)存在。有趣的是，他們發(fā)現(xiàn)神經(jīng)元的變化不僅持續(xù)存在，而且伴隨著受過訓練的樹鼩進行其他辨別能力的變化。這包括對某些刺激方向的增強和對其他刺激方向的損害——考慮到這一特定神經(jīng)元子集的反應變化，行為變化正是預期的。

“這項工作展示了影響視覺刺激感知的神經(jīng)元活動的特定經(jīng)驗驅(qū)動的變化，以犧牲其他相關歧視為代價增強了與任務績效相關的歧視，”第一作者喬舒馬赫解釋說?，F(xiàn)在，該實驗室已著眼于將這種方法與新技術相結(jié)合，以解鎖多種神經(jīng)元中發(fā)生的序列和變化以調(diào)解知覺學習。通過在樹鼩的視覺系統(tǒng)中探索這些問題，菲茨帕特里克實驗室的科學家們正在發(fā)現(xiàn)關于感知學習的基本新見解，這可能會影響我們對廣泛的學習障礙的理解。

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