2022年7月8日

发现区别:大脑的变化使良好的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。在发育和成年期间，学习可以改变视觉感知。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。在一项发表在现代生物学,科学家们现在已经发现了神经元在学习过程中发生的变化，以提高对密切相关的视觉图像的辨别能力。

这项研究由马普佛罗里达神经科学研究所的第一作者约瑟夫·舒马赫博士和资深作者大卫·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。研究人员在学习视觉辨别任务时，对大量单个神经元的活动进行了成像，以跟踪发生的变化，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。正如研究人员所展示的，这些动物也可以学习复杂的行为任务，这使它们成为理解经验如何塑造视觉感知的理想工具。在这项研究中，研究人员训练树鼩区分高度相似的视觉图像:相同的黑线，只在方向上有微小变化(22.5度)。在这项任务中，在一个方向呈现线条的人会得到一滴果汁作为奖励。几天下来，树鼩学会了区分两种相似的视觉图像，只在对有奖励方向的线做出反应时舔，对无奖励方向的线则不舔。

科学家们将这项行为任务与V1神经活动的测量相结合，V1是大脑的一个重要区域视觉处理．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”，对这些方向的反应活性最高，而对远离偏好方向的边缘反应活性逐渐降低或没有反应。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，从而产生一种神经活动模式，该模式将视觉感知所需的信息编码。

Schumacher和他的同事们发现，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导向，对奖励刺激导向的反应的神经活动量增加了。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介导的:这些神经元的定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之后，作者又调查了在学习任务环境之外，提高视觉辨别能力的神经元活动变化是否会持续。有趣的是，他们发现神经元的变化不仅持续存在，而且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定向的增强，也包括对其他刺激定向的损伤——这些行为变化正是考虑到这一特定神经元子集的反应变化所预期的。

第一作者乔·舒马赫(Joe Schumacher)解释说:“这项研究展示了神经元活动中特定的经验驱动变化，这些变化影响视觉刺激的感知，增强了与任务执行相关的辨别能力，而牺牲了其他相关的辨别能力。”现在，该实验室着眼于将这种方法与新技术相结合，以解锁发生在多种类型的基因序列和变化神经元为了调节感知学习。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知觉学习的基本新见解，这可能会影响我们对一系列学习障碍的理解。