2022年7月8日

发现区别:大脑的变化使视觉辨别学习成为可能

我们对世界的视觉感知通常被认为是相对稳定的。然而，就像我们所有的认知功能一样，视觉处理是由我们的经验塑造的。在发育和成年阶段，学习都可以改变视觉感知。例如，提高对相似模式的视觉辨别能力是一项学习技能，对阅读至关重要。一项新的研究发表在现代生物学,科学家们现在已经发现，在学习过程中发生的神经元变化可以提高对密切相关视觉图像的辨别能力。

这项研究由第一作者约瑟夫·舒马赫博士和马克斯·普朗克佛罗里达神经科学研究所的资深作者大卫·菲茨帕特里克博士领导，建立了一种研究大脑感知学习的变革性方法。研究人员对大量单个神经元的活动进行了几天的成像，以跟踪在学习视觉辨别任务时发生的变化，并在一种新的动物模型——树鼩身上进行了这些实验。

树鼩是一种小型哺乳动物，具有类似于人类的视觉特性，包括高度的视觉敏锐度和大脑中视觉反应神经元的有序空间排列。正如研究人员所示，这些动物还可以学习复杂的行为任务，使它们成为理解经验如何塑造视觉感知的理想选择。在这项研究中，树鼩被训练来区分高度相似的视觉图像:相同的黑线，只在方向上有微小的变化(22.5度)。在这项任务中，以一个方向呈现线条的人会得到一滴果汁作为奖励。几天后，树鼩学会了区分两种相似的视觉图像，只对有奖励方向的线条做出反应，对没有奖励方向的线条不舔。

科学家们将这一行为任务与测量V1的神经活动结合起来，V1是大脑中对大脑活动至关重要的区域视觉处理．这个区域的神经元被视觉输入的特定特征激活，比如明暗边缘的方向。单个神经元对特定的边缘方向表现出“偏好”，对这些方向的活性最高，对远离偏好方向的边缘的活性逐渐降低或没有活性。通过这种方式，具有不同方向边缘的视觉场景会激活特定的神经元子集，以产生一种神经活动模式，该模式编码视觉感知所需的信息。

舒马赫和同事们发现，树鼩的视觉辨别学习伴随着两种视觉图像引起的神经活动模式差异的增强。这主要是由于相对于非奖励定向而言，对奖励刺激定向的呈现做出反应的神经活动量增加。但这不仅仅是神经元对奖励刺激反应的普遍增加。当科学家们更仔细地检查这些变化时，他们发现这是由一个非常特殊的神经元子集的活动变化所介导的:这些神经元的方向偏好在区分奖励刺激和非奖励刺激的方向方面是最佳的。

要充分了解学习对人的影响视觉感知，作者接下来调查了改善视觉辨别的神经元活动的变化是否在学习任务环境之外持续存在。有趣的是，他们发现神经元的变化不仅持续存在，而且还伴随着训练过的树鼩执行其他辨别能力的变化。这既包括对某些刺激方向的增强，也包括对其他刺激方向的损害——考虑到这一特定神经元子集的反应的变化，行为的变化正是预期的。

第一作者乔·舒马赫解释说:“这项工作证明了神经元活动中特定的经验驱动的变化，这些变化影响了视觉刺激的感知，增强了与任务表现相关的辨别能力，而牺牲了其他相关的辨别能力。”现在，该实验室已经着眼于将这种方法与新技术相结合，以解锁多种类型基因的序列和变化神经元为了调节知觉学习。通过在树鼩的视觉系统中探索这些问题，菲茨帕特里克实验室的科学家们正在发现关于感知学习的基本新见解，这可能会影响我们对广泛学习障碍的理解。