视觉注意力:大脑如何充分利用可见世界
视觉系统的能力有限，无法处理落到视网膜上的所有东西。相反，大脑依靠注意力来聚焦突出的细节，过滤掉背景杂碎。索尔克生物研究所(Salk Institute for Biological studies)的研究人员最近进行了两项研究，其中一项采用了计算建模技术，另一项采用了实验技术，这两项研究有助于解开注意力背后的机制。
“在日常观察中，视觉细节是我们的目标注意通常被许多与行为暂时无关的刺激所包围，”索尔克研究所系统神经生物学实验室的副教授约翰·h·雷诺兹博士说，他领导的这项研究发表在2009年3月26日的期刊上神经元．“注意力动态地将相关信息传递到大脑中的决策区域，并抑制周围的杂乱。”
但大脑是如何实现这一壮举的一直是争论的话题。在早期的神经元雷诺兹和纽约大学心理学系和神经科学中心教授大卫·j·Heeger博士提出了一个新的注意力理论模型。他们的模型表明，注意力借鉴了大脑的神经回路视觉系统调整它的灵敏度，使我们能够不考虑一天中对比度和光照的巨大变化来感知世界。
“从实验心理学诞生之初，人们就知道注意力在知觉中所起的核心作用。在这个问题上已经做了大量的研究，但表面上相互矛盾的实验数据多年来一直困扰着研究人员，”雷诺兹说。“我们的模型在一个简单的框架内汇集了看起来像是大杂烩的观察结果，我们最新的研究测试并证实了该理论的预测。”
视觉输入的强度在数量级上波动。视觉系统通过调整其灵敏度自动对这些变化做出反应，对微弱输入的响应变得更加敏感，对强烈输入的响应降低灵敏度。例如，当我们在一个阳光明媚的日子走进一个昏暗的讲堂时，一开始我们看不到什么，但随着时间的推移，我们的视觉系统会适应，增加它的灵敏度以适应环境。
一个更微妙的版本是所谓的对比度增益控制。花几分钟盯着安塞尔·亚当斯的照片看。你会发现你的视觉系统会适应图像的低对比度部分，揭示出最初看不见的微妙之处，”雷诺兹解释说。
Heeger提出了一个简单但强大的皮层电路模型，它有助于调节这种形式的自动增益控制。雷诺兹说:“我们相信，这种回路在进化过程中被吸收，使大脑能够利用同样的回路内在地调整其灵敏度。”“它不仅能根据输入强度的变化调整灵敏度，还能使大脑强调与任务相关的信息，抑制由与任务无关的杂乱信息驱动的神经元信号。”
神经元在视觉皮层中，通过它们的“接受区”来观察世界，这是单个神经元实际“看到”或做出反应的一小部分视野。每当刺激落在接受域时，细胞会产生一连串的电峰值，称为“动作电位”，传递有关接受区刺激的信息。
但这些信号的强度和保真度还取决于其他因素。科学家们普遍认为，当注意力被引导到神经元接受区刺激时，神经元通常会做出更强烈的反应。此外，单个神经元的反应会受到接受野周围环境的强烈影响，这种现象被称为情境调制。
“环绕物有抑制神经元反应的能力，”第一作者Kristy Sundberg博士解释道，她曾是Reynolds实验室的研究生，现在是耶鲁大学的博士后研究员。“如果有什么东西又大又均匀，不是特别有趣或有用，它会让我们一直无法做出反应。这就提出了一种可能性，即周围的接受区可能提供了一种抑制与任务无关的干扰物反应的方法。”
为了弄清这一点，桑德伯格进行了一系列实验，她把一个刺激物放在接受区，另一个放在周围环境中。正如雷诺兹和Heeger的理论所预测的那样，她发现将注意力集中在中心刺激上可以使神经元免受周围刺激的抑制作用。当她把注意力转移到周围的刺激物上时，它抑制了神经元对中央与任务无关的刺激物的反应。
桑德伯格说:“注意力系统利用接受野的中心环绕组织来防止传递任务相关信息的神经元被环境中的干扰物抑制，同时抑制对不相关杂乱物做出反应的神经元。”“大脑积极地利用周围的感受区来区分小麦和谷壳。”
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