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本研究通过双光子钙成像技术，记录麻醉恒河猴V1和V2皮层神经元对双目竞争刺激和刺激交替的响应。发现神经元在BR下的持续交替模式与SA条件相似，其反应强度与双眼优势和方向选择性相关，且活动能沿视觉通路传播至V2。
王佳宇|张瑞|蔡星雅|唐仁东|戴卓月|卢海东
认知神经科学与学习国家重点实验室，IDG/McGovern脑研究所，北京师范大学，北京，中国
摘要
双眼竞争（Binocular Rivalry，简称BR）是一种有趣的现象，当两只眼睛看到不同的图像时会发生这种现象，导致观察者感知到两种图像之间的连续交替。在BR过程中，大脑皮层的激活依赖于两种因素：刺激因素（例如，图像的不匹配）和自上而下的认知因素（例如，注意力）。然而，区分这些因素的影响已被证明是具有挑战性的。麻醉动物为研究纯粹由刺激驱动的神经活动提供了有价值的模型，因为它们不受高级认知和行为因素的干扰。我们使用双光子钙成像技术记录了麻醉猕猴V1和V2区域对BR刺激的神经反应。在BR刺激下，V1神经元的反应表现出持续的波动，波动强度与它们在刺激交替（Stimulus Alternation，简称SA）条件下的活动相似。这些波动的主要特征与BR感知中观察到的特征一致。不同神经元的波动强度与其眼优势（ocular dominance）和方向选择性（orientation selectivity）有关。V2区域的类似观察结果表明，这种竞争活动成功地沿着视觉通路传播。这些发现表明，V1中的刺激处理机制能够在无意识状态下产生类似竞争的交替现象。
引言
双眼竞争（BR）发生在两只眼睛看到不同图像时。虽然需要显著的图像差异来触发BR，但高级认知因素（如注意力和意识）在BR感知中也起着关键作用（Dieter等人，2016年）。为了区分这些不同的贡献，人们设计了新的刺激和任务来研究注意力的作用（例如，张等人，2011年；Brascamp和Blake，2012年）和意识的作用（例如，Brascamp等人，2015年；Zou等人，2016年），以及内省和报告行为（Fr?ssle等人，2014年；Hesse和Tsao，2020年；Kapoor等人，2022年）。
功能性磁共振成像（fMRI）研究表明，当受试者的注意力从竞争刺激上转移开时，V1中的竞争现象仍然存在（Lee等人，2007年）。在麻醉猴子的内在信号光学成像中，也观察到了具有关键BR特征的类似BR的交替现象（Xu等人，2016年）。这些发现表明，V1中的刺激驱动机制可以独立于高级认知影响产生竞争现象。然而，这些研究都是基于血流动力学信号，而这种刺激驱动的竞争现象的神经基础仍然不清楚。
我们想要解决的问题是：在麻醉条件下，是否可以在早期视觉神经元中观察到类似BR的交替现象？如果存在，是什么决定了神经元的参与程度？我们的假设是：在刺激驱动的BR中，神经元的反应幅度与其对物理交替现象的反应相似。也就是说，神经元的BR反应依赖于它们的基本刺激反应特性（例如，眼优势、方向选择性和颜色选择性）。
另一个重要的问题是，这种刺激驱动的竞争现象是否可以传播到下游区域。先前的研究得出了有争议的结果：在注意力被转移的研究中，V1中的BR并没有传播到V2或V3（Lee等人，2007年）。在麻醉动物中，初步结果表明V2中也存在竞争现象（Xu等人，2016年）。
到目前为止，只有少数研究在BR刺激下检查了有限数量的V1神经元（例如，Leopold和Logothetis，1996年）。同时记录不同类型的神经元将为我们提供关于它们对BR处理的独特贡献的宝贵见解。双光子钙成像是一种最近开发的技术，非常适合用于这一目的。在本研究中，我们使用双光子钙成像技术研究了麻醉猕猴多个V1和V2区域的神经元。每个成像点的面积约为0.7平方毫米，与超柱（hypercolumn）的表面积（约1平方毫米）相当，并包含具有不同选择性的神经元。我们比较了神经元对BR刺激和刺激交替（SA）的反应，以及对阴性对照刺激的反应（两只眼睛的模式相同）。我们还评估了神经元的眼偏好、方向选择性和颜色选择性。我们的目标是了解不同类型的神经元如何参与V1和V2中的BR过程。
结果
BR刺激是两个直径为4°的圆形光栅斑块，具有不同的颜色和方向。这些刺激通过一对棱镜呈现给两只眼睛，持续时间为48秒（图1A）。对照条件包括刺激交替（SA）、方格图案、随机点（RD）和空白（图S1）。这些刺激之间有40秒的空白间隔，并以块的形式显示。在3只猕猴中，我们将编码GCaMP6s的腺相关病毒（AAV）注入V1的多个位置。
讨论
在BR刺激下，V1和V2的神经活动表现出两种状态之间的连续交替。这种交替与SA反应中观察到的相似，但持续时间是随机的。在BR刺激下，不同神经元表现出不同的波动幅度，这与它们在SA条件下的反应相关（图2D，图6E&F）。此外，神经元的BR反应与其对眼睛和方向的选择性强度呈正相关（图2E&F）。
伦理批准
所有程序均按照美国国立卫生研究院的指南进行，并获得了北京师范大学机构动物护理和使用委员会的批准。
未引用的参考文献
(Bahmani等人，2014年；Conway等人，2005年；Desimone和Gross，1979年；Hubel和Wiesel，1962年；Kovács等人，1996年；Sengpiel和Blakemore，1994年；von der Heydt和Peterhans，1989年)
作者贡献声明
蔡星雅：研究工作。张瑞：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿撰写，验证，软件使用，研究，数据管理，概念构思。王佳宇：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿撰写，可视化，验证，软件使用，研究，数据管理，概念构思。卢海东：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿撰写，监督，资源获取，方法学，资金申请，概念构思。戴卓月：
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文报告工作的财务利益或个人关系。
致谢
这项工作得到了国家科技创新2030重大项目（2022ZD0204600）和中国国家自然科学基金（32271079、31625012和31530029）的支持。我们感谢张鹏博士的宝贵讨论，以及实验室成员卢J、肖Y、方C、梁C、马H、严K、安L、李P、宋Q、赵W、韩Y、李Y、林Z提供的技术支持。
利益冲突声明
作者声明没有利益冲突。
