2020年4月8日

机不可失，时不再来:视觉事件有100毫秒的时间击中大脑目标，否则就会被忽视

美国国家眼科研究所(NEI)的研究人员已经确定了老鼠对视觉事件的关键时间窗口。当大脑处理视觉信息时，一个进化上保守的被称为上丘的区域通知大脑的其他区域事件已经发生。在特定的100毫秒窗口期抑制这一大脑区域会抑制小鼠的事件感知。理解这些早期视觉处理步骤可能会对影响知觉和视觉注意力的疾病有影响，比如精神分裂症和注意缺陷多动障碍(ADHD)。这项研究发表在神经科学杂志》上．

“视觉最重要的一个方面是快速发现重要事件，如发现威胁或奖励机会。我们的结果表明，这取决于中脑的视觉处理，而不仅仅是大脑视觉皮层理查德·克劳兹利斯博士说，他是NEI眼动和视觉选择部门的负责人，也是这项研究的资深作者。

视觉感知——一个人知道自己看到了什么东西的能力——依赖于眼睛和大脑的共同作用。视网膜产生的信号通过视网膜神经节细胞神经纤维传递到大脑。在小鼠中，85%的视网膜神经节细胞连接到上丘．在这些动物中，上丘提供了大部分早期视觉处理。在灵长类动物中，高度复杂的视觉皮层承担了更多的视觉处理负荷，但只有10%视网膜神经节细胞仍然与上丘相连，它负责管理基本但必要的感知任务。

其中一项任务是检测已经发生的视觉事件。上丘从视网膜和皮层接收信息，当有足够的证据表明视野中发生了某个事件时，上丘的神经元就会激活。关于感知决策的经典实验包括让一个被试，比如一个人或一只猴子，看着垂直光栅的图像(一系列模糊的垂直黑白线)，并决定光栅是否或何时轻微旋转。2018年，克劳兹利斯和王将这些经典实验应用于小鼠，为研究开辟了新的途径。

“尽管我们必须谨慎地将老鼠的数据翻译给人类，但由于视觉系统的不同，老鼠在事件检测和视觉注意力方面有许多与人类相同的基本机制。可用于小鼠的基因工具使我们能够研究特定的基因和神经元是如何参与控制感知的，”该研究的第一作者王鲁鹏博士说。

在这项研究中，王和他的同事们使用了一种叫做光遗传学的技术来严格控制上丘的活动。他们使用转基因小鼠，这样他们就可以通过一束光打开或关闭上丘的神经元。这种开关可以精确地计时，使研究人员能够准确地确定何时需要上丘的神经元来检测视觉事件。研究人员训练他们的老鼠在看到一个视觉事件(垂直光栅的旋转)时舔一个壶嘴，并避免舔壶嘴。

抑制上丘的细胞使老鼠不太可能报告它们看到了一个事件，而当它们看到时，它们需要更长的时间做出决定。这种抑制必须在视觉事件发生后100毫秒(十分之一秒)的间隔内发生。如果抑制超出了100毫秒的时间范围，老鼠的决策基本不受影响。这种抑制是侧面特异性的:因为视网膜细胞跨越并连接到头部另一侧的上丘(左眼连接到右侧上丘，反之亦然)，抑制了右侧上丘对左侧刺激的抑制反应，但对右侧没有抑制反应。

“能够以如此精确的时间暂时阻断神经信号的传输是在老鼠身上使用光遗传学的巨大优势之一，并揭示了关键信号通过电路的确切时间，”王说。

有趣的是，研究人员发现，当小鼠被迫忽略视野其他地方发生的事情时，上丘抑制能力的缺陷更加明显。基本上，没有上丘的活动老鼠无法忽视分散注意力的视觉事件。这种忽略视觉事件的能力，叫做视觉注意力，对于在现实世界的复杂视觉环境中导航至关重要。