宽带视觉刺激：解锁神经元感知奥秘，提升视觉体验的关键

为探究宽带特征分布对神经反应和感知的影响，研究人员开展了以小鼠为对象，关于宽带视觉刺激的研究。结果发现，增加方向带宽可增强 V1 神经元反应、提高刺激辨别能力和视觉感知。该研究为理解视觉系统处理自然场景的机制提供重要依据。

　　在神奇的视觉世界里，我们日常看到的自然场景其实暗藏玄机。这些场景由复杂的特征分布构成，它们时刻影响着我们的神经反应和感知。以往，科学家们对单一特征，比如刺激方向的研究较多，但对于宽带特征分布的影响，却知之甚少。传统研究视觉信息神经编码的方法，常用简单视觉刺激，可这就像用一把小尺子去丈量广阔天地，只能触及视觉特征分布的一小部分，根本无法精准识别视觉系统神经反应的关键特性。而使用自然场景或图像研究时，又因为其参数定义不明确，需要大量图像和复杂模型，实际操作困难重重。在这样的背景下，为了揭开宽带特征分布的神秘面纱，德国亚琛工业大学（RWTH Aachen University）等机构的研究人员展开了深入探索 。
他们的研究成果发表在《Nature Communications》上，为我们理解视觉系统打开了新的大门。研究人员发现，宽带视觉刺激能显著影响神经元的反应和视觉感知。具体来说，增加方向带宽（orientation bandwidth），而非空间频率带宽（spatial frequency bandwidth），能大幅提升初级视觉皮层（V1）神经元的数量和反应幅度。而且，这种增强效应并非简单地招募更多神经元，而是源于一种宽带特定的中心 - 环绕抑制（center-surround suppression）的缓解。不仅如此，宽带刺激还能提高神经元反应的可分离性，让小鼠在视觉辨别任务中的表现更出色。这一发现意义非凡，它揭示了环绕调制在增强对复杂自然特征分布的神经反应中的重要作用，表明大脑皮层处理和视觉感知是如何为匹配自然感官输入而优化的。
为了完成这项研究，研究人员运用了多种先进技术。在实验动物选择上，使用了不同品系的小鼠。实验技术方面，主要运用了双光子成像（two-photon imaging），可以精准测量 V1 神经元的反应；还有高密度电生理学技术（high-density electrophysiology），用于记录更深皮层和上丘（superior colliculus，SC）的神经元活动；同时，通过行为学实验，训练小鼠进行视觉辨别任务，以此评估视觉感知能力。
下面让我们详细看看研究的具体结果。
宽带方向带宽增加 V1 神经元的招募和反应幅度：自然场景中的边缘方向丰富多样。研究人员设计了不同方向带宽的运动云刺激（motion cloud stimuli），给清醒的小鼠观看，并用双光子成像技术观察 V1 中 2/3 层神经元的反应。结果令人惊讶，扩大方向带宽，能让视觉反应神经元的数量增加两倍多，反应幅度也显著增强。而且，这种增强并非仅靠招募特定神经元，而是神经元反应普遍增强的结果。
扩展空间频率带宽不会增加 V1 反应：与方向类似，自然场景也包含多种空间频率。研究人员创建不同空间频率带宽的刺激进行实验，却发现扩展空间频率带宽，既没有增加反应神经元的数量，也没有提升反应幅度。这可能是因为 V1 神经元本身对空间频率的调谐较宽，不同带宽刺激导致的神经元激活相互重叠，但具体原因还需进一步探究。
具有环绕抑制的 Gabor 滤波器模型准确预测宽带反应：为了解释方向带宽增加时神经元招募和反应增强的现象，研究人员构建了 Gabor 滤波器模型。该模型表明，方向调谐和环绕抑制都是理解 V1 宽带反应调制的重要因素。由于窄带宽刺激的空间结构更规则，环绕抑制更强，当刺激变为宽带时，环绕抑制减弱，神经元反应就相应增强。
环绕调制对预测单个神经元的宽带反应至关重要：研究人员通过实验发现，宽带方向刺激能引发更强的神经反应，而这种增强主要源于环绕抑制的减少，而非简单的前馈输入增加。通过计算环绕调制指数（SMI），他们发现宽带方向和混合条件下的环绕抑制明显更低。此外，综合环绕调制、方向调谐和中心反应等因素构建的模型，能准确预测单个神经元的宽带反应，其中环绕调制的影响最为显著。
宽带视觉刺激增加皮层和皮层下区域的神经反应：研究人员利用宽场钙成像（widefield calcium imaging）和电生理记录技术发现，宽带视觉刺激引起的皮层激活主要集中在 V1 区域。浅层对宽带方向刺激更敏感，深层则对混合刺激反应强烈。上丘神经元对混合刺激的反应也很强，这表明宽带刺激在不同脑区有着独特的作用机制。
神经辨别能力通过更宽的方向带宽得到增强：实验表明，扩大方向带宽能增加神经元对不同空间频率刺激的辨别能力，而扩大空间频率带宽则没有这种效果。这意味着宽带方向刺激能增强皮层反应，提升对其他刺激特征的神经表征能力。
视觉感知通过扩展方向带宽得到改善：在行为学实验中，研究人员训练小鼠进行视觉辨别任务，发现扩展方向带宽能显著提高小鼠的空间频率辨别性能，而扩展空间频率带宽对方向辨别性能没有明显影响。这充分说明，宽带方向刺激不仅能增强神经反应的可辨别性，还能提升视觉感知能力。
在讨论部分，研究人员进一步阐述了这些发现的重要意义。宽带刺激通过减少环绕抑制，激活了 V1 神经元，增强了神经反应、刺激辨别能力和视觉感知。这一研究成果与以往研究相互印证，同时也揭示了视觉系统处理自然场景的新机制。此外，研究还发现不同脑区对宽带刺激的反应存在差异，这为未来深入研究皮层和皮层下区域处理宽带刺激的机制指明了方向。总之，这项研究为我们理解自然视觉和视觉系统的工作原理提供了宝贵的信息，也为相关领域的进一步研究奠定了坚实基础。