9月22日，中國(guó)科學(xué)院腦科學(xué)與智能技術(shù)卓越創(chuàng)新中心常樂(lè)研究組在《自然-通訊》（Nature Communications）上，發(fā)表了題為High-dimensional topographic organization of visual features in the primate temporal lobe的研究論文。該研究結(jié)合功能核磁共振、電生理記錄和深度學(xué)習(xí)等技術(shù)手段，系統(tǒng)解析了獼猴和人類被試高級(jí)視覺(jué)區(qū)的特征選擇性和拓?fù)浣M織規(guī)律，為探究視覺(jué)系統(tǒng)的演化和發(fā)育、構(gòu)建類腦的視覺(jué)加工模型奠定了重要基礎(chǔ)。

物體識(shí)別是人類從外界獲取信息的重要一環(huán)。靈長(zhǎng)類負(fù)責(zé)物體識(shí)別的腦區(qū)是下顳葉皮層。以往研究表明，靈長(zhǎng)類下顳葉不是一個(gè)均一的結(jié)構(gòu)，而是包括多個(gè)加工特定物體種類或物體特征的子區(qū)域，如加工面孔信息的面孔腦區(qū)、加工軀干信息的軀干腦區(qū)和加工視覺(jué)場(chǎng)景的場(chǎng)景腦區(qū)。前人針對(duì)下顳葉皮層的功能分區(qū)已開(kāi)展了較多研究，但仍有一些重要問(wèn)題尚未解答。例如，目前的功能分區(qū)不能連續(xù)覆蓋整個(gè)下顳葉，剩余的腦區(qū)的功能尚不清楚；既往研究主要在獼猴或者人類被試單獨(dú)進(jìn)行，兩個(gè)物種下顳葉皮層的分區(qū)是否存在明顯差異尚不清楚。

為了回答上述問(wèn)題，科研人員需要找到一組豐富的視覺(jué)特征對(duì)下顳葉皮層的選擇性進(jìn)行系統(tǒng)刻畫(huà)。前人工作顯示，深度卷積網(wǎng)絡(luò)的深層單元可較好地解釋下顳葉神經(jīng)元的反應(yīng)。基于這一發(fā)現(xiàn)，常樂(lè)研究組將網(wǎng)絡(luò)單元對(duì)20萬(wàn)張自然圖片的反應(yīng)降維得到25個(gè)視覺(jué)特征（圖1a）。利用功能核磁共振實(shí)驗(yàn)，研究組獲得了獼猴和人類被試顳葉皮層不同子區(qū)對(duì)這25個(gè)特征的選擇性（圖1b）。

常樂(lè)研究組系統(tǒng)比較了功能核磁實(shí)驗(yàn)獲得的神經(jīng)選擇性和視覺(jué)特征（圖2a），在與前人研究取得聯(lián)系的基礎(chǔ)上，發(fā)現(xiàn)了之前未報(bào)道的神經(jīng)特征，并定位了編碼該特征的腦區(qū)。進(jìn)一步，該研究組通過(guò)電生理實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了核磁實(shí)驗(yàn)的結(jié)果（圖2b-e）。同時(shí)，科研人員對(duì)顳葉皮層特征分布的拓?fù)浣M織規(guī)律進(jìn)行了系統(tǒng)和定量的研究，發(fā)現(xiàn)了獼猴顳葉存在一對(duì)方向相互垂直但空間尺度不同的視覺(jué)特征梯度，而這種拓?fù)浣M織方式不能被一類近期提出的、用于解釋下顳葉拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的模型所復(fù)現(xiàn)，為這一類類腦智能的發(fā)展提供了新的約束。此外，該工作針對(duì)人類被試進(jìn)行了同樣的核磁實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：人類和獼猴相比，雖然顳葉總體結(jié)構(gòu)相似但是在特征選擇性和拓?fù)浣M織規(guī)律上有較大不同，尤其體現(xiàn)在對(duì)無(wú)生命物體的編碼，人類編碼明顯更強(qiáng)；相比獼猴，人類顳葉皮層拓?fù)浣M織的規(guī)律性更差，獼猴顳葉中相互正交的特征梯度在人類大腦并不明顯（圖2f-h）。研究推測(cè)，這兩個(gè)物種間的差異可能是由于人類需要識(shí)別各種各樣的人造物體和符號(hào)。這一需求擴(kuò)大了加工無(wú)生命物體的腦區(qū)，并打亂了原本有規(guī)律的拓?fù)浣M織結(jié)構(gòu)。

該研究刻畫(huà)了靈長(zhǎng)類高級(jí)視覺(jué)區(qū)的信息表征地圖，為探索物體視覺(jué)的神經(jīng)機(jī)制奠定了基礎(chǔ)。過(guò)去，該領(lǐng)域?qū)μ卣鬟x擇性的研究高度定量，使用了各種復(fù)雜、先進(jìn)的計(jì)算模型；相對(duì)而言，對(duì)其拓?fù)浣M織規(guī)律是定性描述為主。該工作則采用精細(xì)、定量的方式對(duì)這一問(wèn)題開(kāi)展研究，揭示了不同物種之間（獼猴和人類）和不同系統(tǒng)之間（大腦和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)）的差異，為設(shè)計(jì)具有類腦結(jié)構(gòu)的人工智能提供了依據(jù)。該研究通過(guò)構(gòu)建視覺(jué)信息的大腦地圖，為腦圖譜的研究提供了可靠的功能參考。

研究工作得到中國(guó)科學(xué)院、科學(xué)技術(shù)部、國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)和上海市的資助，并獲得腦智卓越中心神經(jīng)影像中心的技術(shù)支持。

圖1.（a）特征提取。AlexNet第7層4096個(gè)單元對(duì)20萬(wàn)張自然圖片的反應(yīng)，經(jīng)過(guò)ICA降維得到25個(gè)特征。（b）獼猴左側(cè)顳葉皮層對(duì)25個(gè)特征的選擇性地圖。紅色和藍(lán)色分別顯示對(duì)特征正向和負(fù)向的偏好。

圖2.（a）獼猴顳葉皮層的特征選擇性與21個(gè)已知視覺(jué)特征的關(guān)系。數(shù)值越高代表兩者相似性越強(qiáng)。（b）獼猴顳葉未知腦區(qū)偏好特征的代表性圖片。Positive為偏好圖片，Negative為不偏好圖片。（c）通過(guò)比較b中兩組圖片定位了一個(gè)腦區(qū)，并進(jìn)行電生理記錄，黑線為記錄電極。（d）該區(qū)域中一個(gè)神經(jīng)元對(duì)兩組圖片的反應(yīng)。（e）該區(qū)域的群體結(jié)果（紫線）。作為對(duì)照，定位并記錄了一個(gè)對(duì)Negative刺激反應(yīng)更強(qiáng)的腦區(qū)，其群體反應(yīng)如綠線所示。（f）獼猴顳葉偏好三個(gè)重要特征的子腦區(qū)以非常規(guī)則的方式排布：綠色、藍(lán)色條帶交替，兩側(cè)為紅色區(qū)域。三種不同顏色對(duì)應(yīng)三個(gè)重要特征。（g）人類大腦顳葉呈現(xiàn)類似排布，但規(guī)律性較獼猴差很多。（h）獼猴和人類顳葉皮層拓?fù)浣M織規(guī)律性的定量比較。上圖為特征梯度的方向性，下圖為不同梯度的正交性。兩個(gè)指標(biāo)都顯示獼猴顳葉的規(guī)律性更強(qiáng)。

來(lái)源：中科院