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基本信息

Title:Processing of natural scenes in the human pulvinar

發(fā)表時(shí)間：2025.12.16

發(fā)表期刊:Nature Communications

影響因子：15.7

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引言

我們平時(shí)談到“看懂”一個(gè)世界，往往會(huì)先想到大腦皮層，尤其是腹側(cè)視覺(jué)皮層（ventral visual cortex）。從邊緣、紋理到物體、面孔，這條通路被認(rèn)為是高級(jí)視覺(jué)識(shí)別的主力系統(tǒng)。

但這套經(jīng)典敘事有一個(gè)明顯空白：位于丘腦的丘腦枕（pulvinar）究竟在其中扮演什么角色？過(guò)去不少研究已經(jīng)提示，丘腦枕并不只是被動(dòng)的中繼站，它與視覺(jué)皮層存在廣泛而雙向的連接，也參與注意、感覺(jué)篩選和視覺(jué)行為調(diào)節(jié)。問(wèn)題在于，既往工作多使用相對(duì)簡(jiǎn)單的刺激，比如閃爍圖形、方向或?qū)Ρ榷?，因而很難判斷丘腦枕是否真正參與了更接近日常經(jīng)驗(yàn)的高級(jí)視覺(jué)加工。

這篇研究想回答的，正是這個(gè)長(zhǎng)期懸而未決的問(wèn)題：當(dāng)人腦面對(duì)復(fù)雜自然場(chǎng)景時(shí)，丘腦枕是否會(huì)像皮層一樣，對(duì)“看到了什么”形成有組織的表征？

作者進(jìn)一步關(guān)心兩件事：其一，丘腦枕內(nèi)部是否存在處理低級(jí)特征與高級(jí)類別的功能分區(qū)；其二，這些表征是否仍然保留空間編碼，也就是和視野位置有關(guān)。

為此，研究團(tuán)隊(duì)借助自然場(chǎng)景數(shù)據(jù)集（NSD）的7T fMRI數(shù)據(jù)，用上萬(wàn)張自然圖片去逼近真實(shí)視覺(jué)經(jīng)驗(yàn)，再結(jié)合編碼模型和相關(guān)分析，去重新描繪這個(gè)經(jīng)常被低估的皮層下結(jié)構(gòu)。

實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與方法邏輯

作者基于8名受試者在自然場(chǎng)景數(shù)據(jù)集（Natural Scenes Dataset, NSD）中的高分辨率7T fMRI數(shù)據(jù)，提取自然圖片中的局部對(duì)比度、顯著性、前景、面孔、身體等多層級(jí)特征，并結(jié)合群體感受野（population receptive field, pRF）模型，評(píng)估丘腦枕不同體素對(duì)“看哪里”和“看什么”的聯(lián)合編碼；隨后再用無(wú)模型的試次相關(guān)分析，檢驗(yàn)這些丘腦枕區(qū)域是否與視覺(jué)皮層中功能相近的區(qū)域同步活動(dòng)，從而把表征特征、空間組織和皮層耦合關(guān)系串聯(lián)起來(lái)。

Fig. 1 | Identifying stimulus features encoded in voxel responses using population receptive field (pRF) models.

核心發(fā)現(xiàn)

丘腦枕內(nèi)部存在清晰的“低級(jí)—高級(jí)”功能分工

最先值得關(guān)注的是 Figure 2。作者發(fā)現(xiàn)，丘腦枕并不是對(duì)所有視覺(jué)信息一視同仁：更偏外側(cè)、下方的區(qū)域主要響應(yīng)局部對(duì)比度和顯著性這類低級(jí)視覺(jué)特征，而更偏內(nèi)側(cè)、后方的區(qū)域則更容易被身體和面孔驅(qū)動(dòng)。這個(gè)結(jié)果的重要性在于，它把“丘腦枕也參與視覺(jué)”進(jìn)一步推進(jìn)到“丘腦枕內(nèi)部存在可分辨的功能亞區(qū)”，而且這種分區(qū)在不同被試之間相當(dāng)一致，說(shuō)明這并非偶然噪聲，而是有穩(wěn)定組織原則的神經(jīng)表征。

Fig. 2 | Distinct regions of the pulvinar responsive to low- and high-level visual features.

高級(jí)類別表征并沒(méi)有脫離空間位置

而是保留了視野拓?fù)?/strong>

Figure 3 是全篇很關(guān)鍵的一張圖。過(guò)去人們較容易接受低級(jí)視覺(jué)特征具有視網(wǎng)膜拓?fù)浣M織，但這項(xiàng)研究顯示，連對(duì)身體和面孔更敏感的丘腦枕區(qū)域，也保留了對(duì)側(cè)視野的空間編碼。換句話說(shuō)，丘腦枕不僅在區(qū)分“看到的是什么”，也在編碼“它出現(xiàn)在哪里”。這使高級(jí)視覺(jué)類別加工不再像一個(gè)完全抽象、脫離空間的位置標(biāo)簽，而是仍然錨定在感官輸入的空間框架中，這一點(diǎn)直接擴(kuò)展了我們對(duì)皮層下高級(jí)視覺(jué)組織方式的理解。

Fig. 3 | Spatial coding of low- and high-level visual features in the pulvinar.

丘腦枕與皮層不是泛泛同步

而是與功能匹配的區(qū)域選擇性共激活

Figure 4 和 Figure 5 進(jìn)一步把丘腦枕放回到整個(gè)視覺(jué)網(wǎng)絡(luò)中去看。作者發(fā)現(xiàn)，對(duì)比度峰值區(qū)域與早期視覺(jué)皮層有更強(qiáng)相關(guān)，而身體峰值區(qū)域則更集中地與體部選擇區(qū)（EBA； FBA）和面孔選擇區(qū)（FFA）共激活。尤其在“不同試次、相同圖片”的分析里，這種對(duì)應(yīng)關(guān)系變得更具體，說(shuō)明這里抓到的不是簡(jiǎn)單的喚醒水平或注意波動(dòng)，而是由具體視覺(jué)刺激驅(qū)動(dòng)的功能耦合。讀者需要抓住的重點(diǎn)是：丘腦枕與皮層之間存在內(nèi)容特異性的協(xié)同，而不是松散的整體聯(lián)動(dòng)。

Fig. 4 | Contrast- and body-selective pulvinar subregions are co-active with distinct cortical regions.

Fig. 5 | Different-trials analysis reveals highly specific pulvino-cortical correspondences.

整個(gè)丘腦枕的相關(guān)格局

重現(xiàn)了視覺(jué)皮層從早到高的層級(jí)推進(jìn)

如果說(shuō)前面的結(jié)果展示了若干局部對(duì)應(yīng)，那么 Figure 6 則把這種關(guān)系提升到整體層面。作者用不同皮層視覺(jué)區(qū)去反推丘腦枕中的相關(guān)圖譜，結(jié)果看到一種沿丘腦枕展開的連續(xù)梯度：越靠近早期視覺(jué)區(qū)，如初級(jí)視覺(jué)皮層（V1），相關(guān)峰越偏向外側(cè)和下方；越接近更高層級(jí)的類別選擇區(qū)，相關(guān)峰就越向內(nèi)側(cè)和后方移動(dòng)。這一結(jié)果很有分量，因?yàn)樗f(shuō)明丘腦枕并非游離于經(jīng)典視覺(jué)層級(jí)之外的旁路，而更像是嵌入視覺(jué)層級(jí)內(nèi)部、參與多級(jí)信息整合的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)。

Fig. 6 | Progression along ventral cortical hierarchy recapitulated in the pulvinar.

歸納總結(jié)和點(diǎn)評(píng)

這篇研究最重要的貢獻(xiàn)，在于把丘腦枕從“視覺(jué)相關(guān)但邊緣”的位置，真正推入了高級(jí)視覺(jué)研究的核心討論。作者不僅證明它會(huì)響應(yīng)自然場(chǎng)景中的面孔和身體，還進(jìn)一步顯示這種響應(yīng)具有明確的解剖分區(qū)、視野組織和皮層對(duì)應(yīng)關(guān)系。更難得的是，研究沒(méi)有停留在“有激活”這一層面，而是把表征內(nèi)容、空間編碼和網(wǎng)絡(luò)耦合三者接起來(lái)講清楚。對(duì)于長(zhǎng)期偏皮層中心的視覺(jué)理論來(lái)說(shuō)，這是一篇很有推動(dòng)力的工作，也提醒我們：高級(jí)視覺(jué)的實(shí)現(xiàn)，可能從來(lái)都不是皮層單獨(dú)完成的。

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