Top-down知覺加工下的視覺傳導(dǎo)特征

周愛保，岳紅云,2，劉顯翠，張 奮

0引言

人類的視知覺狀態(tài)及效率往往反映了認(rèn)知過程參與生理功能的主要特征。知覺的上行通路與下行通路對(duì)視覺認(rèn)知的最終結(jié)果的影響存在顯著差異[1]。概念驅(qū)動(dòng)(concept-driven)的視覺加工包含了個(gè)體的搜尋愿望及視覺期待，自我面孔的唯一性決定了個(gè)體對(duì)其關(guān)注水平高于一般注視目標(biāo)，并且產(chǎn)生相對(duì)的生理、記憶、情緒、再認(rèn)等認(rèn)知心理反射[2]。

經(jīng)典視覺研究專注于自下而上(Bottom-up)過程，試圖應(yīng)用動(dòng)物模型及計(jì)算機(jī)技術(shù)進(jìn)行視覺特征研究[3-4]，然而，即使完全由Bottom-up完成的視覺過程，由于認(rèn)知特征差異，視覺期待形成的關(guān)注(attention)仍舊可能改變視知覺結(jié)論[5]。大腦皮質(zhì)的功能分區(qū)及皮質(zhì)功能分區(qū)細(xì)化和事件相關(guān)電位(event-related potentials，ERP)研究證實(shí)，Bottom-up視覺過程中早期視皮質(zhì)的功能啟動(dòng)對(duì)于視覺結(jié)論具有重要意義[6-9]。從認(rèn)知角度而言，自上而下(Top-down)和Bottom-up二者在視覺產(chǎn)生過程中的協(xié)同作用及彼此調(diào)制控制特征[10-11]決定了視覺結(jié)局與視覺期待之間的相互關(guān)系。與數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的視覺加工過程中應(yīng)用的刺激圖形不同，Top-down知覺通路屬于有認(rèn)知意義的概念刺激，而前者屬于無需解釋的數(shù)據(jù)刺激，因此可以依據(jù)二者引發(fā)的視覺誘發(fā)電位，判斷Top-down通路激活與單純Bottom-up通路傳導(dǎo)下的視覺誘發(fā)電位特征差異[12-15]。本研究針對(duì)兒童的年齡特點(diǎn)呈現(xiàn)的自我認(rèn)知特征，在檢測(cè)概念驅(qū)動(dòng)視覺過程特征時(shí)，運(yùn)用自我視覺期待，激活Top-down知覺通路，研究Top-down知覺通路參與下，圖形視覺誘發(fā)電位(pattern visual evoked potential，PVEP)提示的視覺傳導(dǎo)效率及其特征。

1對(duì)象和方法

1.1對(duì)象選取2020-01/06于我院門診進(jìn)行健康查體的兒童志愿者26名，其中男13名，女13名，平均年齡10.12±0.27歲，右利手，韋克斯勒兒童智力量表(WISC)測(cè)量IQ正常，視力20/20(ETDRS視力表)。排除PVEP測(cè)量過程中有效重復(fù)波形低于95%的受檢者。本研究作為兒童相關(guān)的臨床試驗(yàn)已經(jīng)過我院醫(yī)學(xué)倫理委員會(huì)審查(審批號(hào)：LCSYLL20200612)。所有研究對(duì)象及其監(jiān)護(hù)人均對(duì)本研究知情同意，并均由其監(jiān)護(hù)人簽署知情同意書。

1.2方法

1.2.1視覺通路設(shè)計(jì)Top-down刺激視覺注視點(diǎn)：拍攝兒童的顏面部照片，應(yīng)用圖像處理軟件將圖片處理為黑白素描圖形，能夠清晰分辨兒童。Bottom-up刺激視覺注視點(diǎn)：兒童的顏面部照片素描處理后數(shù)碼化為不同亮度黑白數(shù)碼圖形，使不能分辨為兒童(圖1)。

1.2.2操作過程

1.2.2.1建立兒童Top-down知覺刺激材料研究開始前，于自然光診室(照度120～150Lx)設(shè)置白色無反光背景墻，采用佳能照相機(jī)(型號(hào)：IXUS115 HS；參數(shù)：有效像素1 210萬，光學(xué)變焦4倍，焦距24～120mm)為兒童拍照3次。兒童注視3min比較圖片后，選擇滿意圖片1張，打印為14mm透明背景照片，貼附照片于常規(guī)視標(biāo)位置。同時(shí)，建立Bottom-up程序的指導(dǎo)語(“請(qǐng)注視紅色方格圖形”)和Top-down程序的指導(dǎo)語[“請(qǐng)注視***(兒童名字)”]。

1.2.2.2 PVEP檢查所有研究對(duì)象均選取右眼為觀察眼，采用羅蘭視覺電生理系統(tǒng)進(jìn)行PVEP檢查。參數(shù)設(shè)置：(1)低頻空間刺激：黑白翻轉(zhuǎn)正方形邊長(zhǎng)14mm，翻轉(zhuǎn)頻率14Hz；(2)高頻空間刺激：黑白翻轉(zhuǎn)正方形邊長(zhǎng)7mm，翻轉(zhuǎn)頻率14Hz。檢測(cè)指標(biāo)：N75潛時(shí)、P100峰值時(shí)間、P100波幅、P100復(fù)極化時(shí)間。

統(tǒng)計(jì)學(xué)分析：采用SPSS 20.0統(tǒng)計(jì)學(xué)軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)分析。計(jì)量資料采用均數(shù)±標(biāo)準(zhǔn)差表示，采用2(視覺誘發(fā)電位刺激參數(shù)：高頻空間刺激、低頻空間刺激)×2(知覺途徑：Top-down、Bottom-up)交叉設(shè)計(jì)資料的重復(fù)測(cè)量方差分析進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。P<0.05為差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

圖1 Top-down和Bottom-up視覺刺激圖形示例 A：Top-down刺激(兒童素描像)；B：Bottom-up刺激(兒童數(shù)碼像)。

表1 不同視知覺加工路徑下不同空間頻率對(duì)N75潛時(shí)的影響

表2 不同視知覺加工路徑下不同空間頻率對(duì)P100峰值時(shí)間的影響

2結(jié)果

2.1不同視知覺加工路徑下不同空間頻率刺激反應(yīng)N75潛時(shí)的差異視知覺加工路徑的主效應(yīng)不顯著[F(1，25)=0.639，P=0.432，η2=0.025)]，空間頻率主效應(yīng)顯著[F(1，25)=5.240，P=0.031，η2=0.173]，視知覺加工路徑與空間頻率的交互作用不顯著[F(1，25)=1.658，P=0.210，η2=0.062]，表明不同視知覺加工路徑對(duì)N75潛時(shí)無顯著影響，表現(xiàn)為Top-down與Bottom-up條件下無顯著差異，而不同空間頻率對(duì)N75潛時(shí)具有顯著影響。同時(shí)，視知覺加工路徑與空間頻率二者之間的交互作用不顯著，表明N75潛時(shí)主要與空間頻率相關(guān)，即空間頻率高的情況下，Top-down能夠顯著縮短N(yùn)75潛時(shí)，但是與單純空間頻率對(duì)N75潛時(shí)影響水平相比，低頻空間頻率條件下N75更快出現(xiàn)(表1)。

2.2不同視知覺加工路徑下不同空間頻率刺激反應(yīng)P100峰值時(shí)間的差異視知覺加工路徑的主效應(yīng)不顯著[F(1，25)=1.313，P=0.263，η2=0.050]，空間頻率主效應(yīng)也不顯著[F(1，25)=3.044，P=0.093，η2=0.109]，而視知覺加工路徑與空間頻率的交互作用則呈現(xiàn)顯著影響[F(1，25)=28.349，P<0.001，η2=0.531]，表現(xiàn)為在Top-down條件下，高頻空間刺激對(duì)P100影響為P100波峰值出現(xiàn)時(shí)間顯著縮短(表2)。

2.3不同視知覺加工路徑下不同空間頻率刺激反應(yīng)P100波幅的差異視知覺加工路徑的主效應(yīng)顯著[F(1，25)=27.333，P<0.001，η2=0.521]，空間頻率主效應(yīng)顯著[F(1，25)=6.919，P=0.014，η2=0.217]，而視知覺加工路徑與空間頻率的交互作用不顯著[F(1，25)=0.021，P=0.887，η2=0.001]，表現(xiàn)為在Top-down條件下，高頻空間刺激與低頻空間刺激對(duì)P100影響均表現(xiàn)為P100波幅顯著提高，且高頻空間與低頻空間頻率影響水平大致相當(dāng)，而空間頻率主效應(yīng)影響對(duì)于P100波幅的影響主要表現(xiàn)為高頻空間產(chǎn)生了更高P100波幅，但其影響水平小于知覺途徑的影響(表3)。

表3 不同視知覺加工路徑下不同空間頻率對(duì)P100波幅的影響

表4 不同視知覺加工路徑下不同空間頻率對(duì)P100復(fù)極化時(shí)間的影響

2.4不同視知覺加工路徑下不同空間頻率刺激反應(yīng)P100復(fù)極化時(shí)間差異視知覺加工路徑的主效應(yīng)顯著[F(1，25)=8.806，P=0.007，η2=0.260]，空間頻率主效應(yīng)顯著[F(1，25)=21.148，P<0.001，η2=0.458]，而視知覺加工路徑與空間頻率的交互作用不顯著[F(1，25)=2.468，P=0.129，η2=0.090]，表現(xiàn)為在Top-down條件下，高頻空間刺激與低頻空間刺激對(duì)P100復(fù)極化時(shí)間的影響均表現(xiàn)為時(shí)值顯著減少，但Top-down對(duì)高頻空間與低頻空間頻率影響水平大致相當(dāng)(表4)。

3討論

低頻空間刺激下，N75成分的視覺傳導(dǎo)特征表現(xiàn)為知覺通路對(duì)于PVEP的影響并不比空間頻率的影響顯著，提示當(dāng)刺激位置與黃斑中心凹視錐細(xì)胞參與數(shù)目有關(guān)時(shí)，高頻空間由于分辨率更高，需要更加精細(xì)視覺的黃斑區(qū)視錐細(xì)胞參與，其與神經(jīng)纖維的一對(duì)一相聯(lián)系，分辨精細(xì)視覺，精細(xì)視覺的多皮質(zhì)參與特征可能使得其受到Top-down的影響機(jī)會(huì)變小。Top-down參與下的Bottom-up傳導(dǎo)過程提高了視覺傳導(dǎo)效率，視覺傳導(dǎo)細(xì)胞表現(xiàn)為去極化時(shí)間顯著縮短，先驗(yàn)知識(shí)和視覺期待能夠提高視覺行為的主動(dòng)性和視覺行為的效率。Top-down參與下低頻空間與高頻空間刺激均顯示P100波幅顯著高于單純Bottom-up刺激產(chǎn)生的P100波幅。由于視覺細(xì)胞的動(dòng)作電位表現(xiàn)為全或無特征，因此當(dāng)整體波幅提高時(shí)，可以初步得出結(jié)論，在Top-down參與下，動(dòng)員了更多視覺細(xì)胞參與視覺活動(dòng)。故認(rèn)為Top-down能夠提高視覺行為的興奮神經(jīng)元數(shù)量，提高視覺傳導(dǎo)總能量。高頻刺激產(chǎn)生的P100復(fù)極化時(shí)間明顯縮短，而低頻刺激產(chǎn)生的P100復(fù)極化時(shí)間較長(zhǎng)，但二者較單純Bottom-up產(chǎn)生的P100復(fù)極化時(shí)間均顯著縮短。分析可能是由于Top-down參與下的認(rèn)知過程顯著延長(zhǎng)，此處尚有生理性解剖結(jié)構(gòu)不能解釋的視覺過程。

Top-down知覺通路參與下，視覺傳導(dǎo)效率及速率均高于單純Bottom-up視覺過程，因?yàn)锽ottom-up過程并非單純無下行視覺支配系統(tǒng)參與的完全低級(jí)中樞活動(dòng)(無反射參與)，在無顯著Top-down知覺參與的視覺傳導(dǎo)過程中，可將其簡(jiǎn)要認(rèn)為是視覺及視覺傳導(dǎo)神經(jīng)元的對(duì)外界環(huán)境反應(yīng)的基礎(chǔ)活動(dòng)。Top-down知覺過程主要表現(xiàn)為對(duì)視知覺活動(dòng)的精細(xì)過程參與水平更高，提高視知覺過程中神經(jīng)元激活數(shù)量，從而在視覺刺激圖形要求的高分辨率環(huán)境中，得到更多的生理基礎(chǔ)資源，與現(xiàn)有文獻(xiàn)研究結(jié)論一致[16-17]。本研究從視覺發(fā)展的角度考量，研究結(jié)論與視覺的進(jìn)化結(jié)果一致，即個(gè)體面臨復(fù)雜而精細(xì)的自我相關(guān)視覺對(duì)象時(shí)，能夠更大程度調(diào)動(dòng)神經(jīng)元參與視覺過程。