我們對(duì)世界的視覺(jué)感知通常被認(rèn)為是相對(duì)穩(wěn)定的。然而，就像我們所有的認(rèn)知功能一樣，視覺(jué)處理是由我們的經(jīng)驗(yàn)塑造的。在發(fā)育和成年期間，學(xué)習(xí)可以改變視覺(jué)感知。例如，提高對(duì)相似模式的視覺(jué)辨別能力是一項(xiàng)對(duì)閱讀至關(guān)重要的學(xué)習(xí)技能。在《當(dāng)代生物學(xué)》上發(fā)表的一項(xiàng)新研究中，科學(xué)家們現(xiàn)在發(fā)現(xiàn)了在學(xué)習(xí)過(guò)程中發(fā)生的神經(jīng)元變化，以提高對(duì)密切相關(guān)的視覺(jué)圖像的辨別能力。
這項(xiàng)由馬克斯普朗克佛羅里達(dá)神經(jīng)科學(xué)研究所的第一作者 Joseph Schumacher 博士和資深作者 David Fitzpatrick 博士領(lǐng)導(dǎo)的研究建立了一種研究大腦感知學(xué)習(xí)的變革性方法。研究人員在幾天內(nèi)對(duì)大量單個(gè)神經(jīng)元的活動(dòng)進(jìn)行成像，以跟蹤在學(xué)習(xí)視覺(jué)辨別任務(wù)時(shí)發(fā)生的變化，并在一種新的動(dòng)物模型樹(shù)鼩中進(jìn)行這些實(shí)驗(yàn)。
樹(shù)鼩是一種小型哺乳動(dòng)物，具有類似于人類的視覺(jué)特性，包括高度的視敏度和大腦中視覺(jué)響應(yīng)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(dòng)物還可以學(xué)習(xí)復(fù)雜的行為任務(wù)，使其成為理解經(jīng)驗(yàn)如何塑造視覺(jué)感知的理想選擇。在這項(xiàng)研究中，訓(xùn)練樹(shù)鼩以區(qū)分高度相似的視覺(jué)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(wù)中，以一個(gè)方向呈現(xiàn)線條會(huì)得到一滴果汁獎(jiǎng)勵(lì)。幾天后，樹(shù)鼩學(xué)會(huì)了區(qū)分兩個(gè)相似的視覺(jué)圖像，
科學(xué)家們將這一行為任務(wù)與 V1 神經(jīng)活動(dòng)的測(cè)量相結(jié)合，V1 是視覺(jué)處理必不可少的大腦區(qū)域。該區(qū)域的神經(jīng)元被視覺(jué)輸入的特定特征激活，例如明暗邊緣的方向。單個(gè)神經(jīng)元對(duì)特定的邊緣方向表現(xiàn)出“偏好”，對(duì)這些方向反應(yīng)最高的活動(dòng)，對(duì)遠(yuǎn)離首選方向的邊緣的活動(dòng)逐漸降低或沒(méi)有活動(dòng)。通過(guò)這種方式，具有不同方向邊緣的視覺(jué)場(chǎng)景會(huì)激活特定的神經(jīng)元子集，以生成編碼視覺(jué)感知所需信息的神經(jīng)活動(dòng)模式。
舒馬赫及其同事發(fā)現(xiàn)，樹(shù)鼩的視覺(jué)辨別學(xué)習(xí)伴隨著兩個(gè)視覺(jué)圖像誘發(fā)的神經(jīng)活動(dòng)模式差異的增強(qiáng)。這主要是由于相對(duì)于非獎(jiǎng)勵(lì)方向的獎(jiǎng)勵(lì)刺激方向的呈現(xiàn)，神經(jīng)活動(dòng)量的增加。但這不僅僅是神經(jīng)元對(duì)獎(jiǎng)勵(lì)刺激的反應(yīng)普遍增加。當(dāng)科學(xué)家們更仔細(xì)地檢查這些變化時(shí)，他們發(fā)現(xiàn)這是由一個(gè)非常特殊的神經(jīng)元子集的活動(dòng)變化所介導(dǎo)的：這些神經(jīng)元的方向偏好對(duì)于區(qū)分獎(jiǎng)勵(lì)刺激和非獎(jiǎng)勵(lì)刺激的方向是最佳的。
為了充分了解學(xué)習(xí)對(duì)視覺(jué)感知的影響，作者接下來(lái)研究了改善視覺(jué)辨別力的神經(jīng)元活動(dòng)的變化是否在學(xué)習(xí)的任務(wù)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(guò)訓(xùn)練的樹(shù)鼩進(jìn)行其他辨別能力的變化。這包括對(duì)某些刺激方向的增強(qiáng)和對(duì)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(yīng)變化，行為變化正是預(yù)期的。
“這項(xiàng)工作展示了影響視覺(jué)刺激感知的神經(jīng)元活動(dòng)的特定經(jīng)驗(yàn)驅(qū)動(dòng)的變化，以犧牲其他相關(guān)歧視為代價(jià)增強(qiáng)了與任務(wù)績(jī)效相關(guān)的歧視，”第一作者喬舒馬赫解釋說(shuō)?，F(xiàn)在，該實(shí)驗(yàn)室已著眼于將這種方法與新技術(shù)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(jué)學(xué)習(xí)。通過(guò)在樹(shù)鼩的視覺(jué)系統(tǒng)中探索這些問(wèn)題，菲茨帕特里克實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家們正在發(fā)現(xiàn)關(guān)于感知學(xué)習(xí)的基本新見(jiàn)解，這可能會(huì)影響我們對(duì)廣泛的學(xué)習(xí)障礙的理解。
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