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基本信息：

Title:Mesoscale cortical mechanisms of perceptual conflict resolution in binocular rivalry

發(fā)表時(shí)間：2025.11.13

Journal:Nature Human Behaviour

影響因子：15.9

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研究動機(jī)與背景

雙眼競爭（Binocular Rivalry）是研究大腦如何解決感官輸入沖突并產(chǎn)生意識感知的理想模型，但其潛在的神經(jīng)機(jī)制長期存在爭議。以往的神經(jīng)影像學(xué)研究主要集中在宏觀腦區(qū)水平，未能深入到皮層柱（column）和層級（layer）這一“介觀尺度”來解析沖突解決的微環(huán)路機(jī)制。學(xué)術(shù)界對于雙眼競爭最初是起源于外側(cè)膝狀體（LGN）的層間抑制，還是初級視皮層（V1）眼優(yōu)勢柱（ODCs）之間的側(cè)向抑制一直未有定論，且現(xiàn)有的單細(xì)胞記錄與fMRI結(jié)果之間存在矛盾。此外，盡管已知額頂葉網(wǎng)絡(luò)在其中發(fā)揮作用，但高階腦區(qū)（如頂葉注意網(wǎng)絡(luò)）如何調(diào)節(jié)早期視覺皮層的局部競爭，以及這種反饋信號的具體層級特征和時(shí)空動態(tài)，仍是未解之謎。在本文中，作者試圖利用高分辨率7T fMRI技術(shù)，通過解析皮層柱和層級特異性活動，解決上述關(guān)于競爭位點(diǎn)及反饋機(jī)制的關(guān)鍵科學(xué)問題。

實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與方法邏輯

為了在介觀尺度上分離前饋、反饋及局部抑制信號，作者利用7T fMRI的高信噪比和空間分辨率（0.8mm及1.2mm各向同性體素），在人類被試中精確測量了V1眼優(yōu)勢柱和LGN眼別層的活動。研究設(shè)計(jì)了“雙眼競爭”（Rivalry）與“單眼回放”（Replay）兩種條件進(jìn)行嚴(yán)格對比，以分離純粹的感官驅(qū)動信號與競爭相關(guān)的神經(jīng)調(diào)節(jié)信號。作者采用了多種先進(jìn)的數(shù)據(jù)分析策略：首先，通過皮層深度分析（Laminar Analysis），區(qū)分了主要接收前饋輸入的中間層與主要涉及側(cè)向連接/反饋的淺層和深層活動；其次，開發(fā)了模式同步化分析（Pattern Correlation），通過計(jì)算V1活動模式與眼優(yōu)勢圖的相關(guān)性分布寬度，來量化跨空間的信號同步程度，以測試反饋信號的作用；最后，結(jié)合多體素模式分析（MVPA/SVM）解碼IPS中的眼別信息，并利用動態(tài)因果模型（DCM）解析IPS與早期視皮層之間的有效連接變化，從而構(gòu)建了一個包含皮層下、早期皮層及高階皮層的完整層級機(jī)制模型。

Fig. 1 | Candidate neural mechanisms and experimental design for studying interocular competition in binocular rivalry

核心發(fā)現(xiàn)

發(fā)現(xiàn)1：V1眼優(yōu)勢柱的層級特異性競爭機(jī)制

研究發(fā)現(xiàn)在單眼回放（Replay）條件下，V1眼優(yōu)勢柱的眼別特異性反應(yīng)在中間層最強(qiáng)，符合LGN前饋輸入的特征；而在雙眼競爭（Rivalry）條件下，眼別特異性調(diào)節(jié)信號顯著偏向于淺層（superficial layers） 。這表明雙眼競爭主要源于V1淺層眼優(yōu)勢柱之間的側(cè)向抑制，而非LGN的前饋輸入中斷

Fig. 2 | Eye-specific responses across cortical depth in V1 ODCs during binocular rivalry and replay

發(fā)現(xiàn)2：LGN中未發(fā)現(xiàn)眼別競爭信號

利用高分辨率fMRI成功定位了LGN中的眼別特異性層（ocular-biased clusters），但在雙眼競爭期間，并未發(fā)現(xiàn)顯著的眼別特異性調(diào)制信號，而在回放條件下則能檢測到強(qiáng)烈的眼別反應(yīng)。這否定了競爭主要發(fā)生在LGN層面的假設(shè)，支持了競爭起源于皮層的觀點(diǎn)。

Fig. 5 | Eye-specific modulation in ocular-biased clusters of the LGN (

發(fā)現(xiàn)3：反饋信號促進(jìn)局部競爭的同步化

通過分析V1眼優(yōu)勢柱活動模式的相關(guān)性分布寬度，發(fā)現(xiàn)在競爭狀態(tài)下，V1淺層和深層的神經(jīng)活動模式比中間層表現(xiàn)出更高的空間同步性。這暗示了來自高階腦區(qū)的反饋信號作用于V1的淺層和深層，將局部的競爭整合成連貫的知覺。

Fig. 3 | Pattern synchronization across ODCs in different cortical depths

發(fā)現(xiàn)4：IPS提供眼別特異性反饋并引導(dǎo)競爭

在頂內(nèi)溝（IPS）發(fā)現(xiàn)了顯著的眼別特異性信號，且這種信號僅在雙眼競爭期間顯著，在回放期間不顯著。動態(tài)因果模型（DCM）分析顯示，在競爭期間，從IPS到V2以及V2到V1的反饋連接顯著增強(qiáng)。此外，IPS的知覺轉(zhuǎn)換相關(guān)活動在時(shí)間上早于V1和V2 。

Fig. 4 | Eye-specific modulations in the IPS and its relationship with the early visual cortex

省流總結(jié)

這篇發(fā)表于Nature Human Behaviour 的研究利用高分辨率7T fMRI技術(shù)，解決了雙眼競爭神經(jīng)機(jī)制的長期爭論。作者發(fā)現(xiàn)在雙眼競爭過程中，感知覺沖突并非在丘腦（LGN）解決，而是通過初級視皮層（V1）淺層眼優(yōu)勢柱之間的側(cè)向抑制來解決。更重要的是，研究揭示了一個層級化機(jī)制：頂葉注意網(wǎng)絡(luò)（IPS）雖然不直接接收眼別輸入，但在競爭發(fā)生時(shí)會產(chǎn)生眼別特異性信號，并通過反饋調(diào)節(jié)V1的淺層和深層活動，將早期視皮層局部的、碎片化的競爭同步化，最終形成統(tǒng)一的意識感知。這項(xiàng)工作精細(xì)地描繪了大腦如何通過微觀回路與宏觀網(wǎng)絡(luò)的交互來處理感官沖突。

AI銳評

這篇文章是高場fMRI在認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)應(yīng)用的一個典范，其最大的優(yōu)點(diǎn)在于利用技術(shù)優(yōu)勢（7T、層流分析）巧妙地回答了由于空間分辨率限制而長期懸而未決的“競爭位點(diǎn)”問題（LGN vs V1），并將微觀的皮層柱機(jī)制與宏觀的腦區(qū)網(wǎng)絡(luò)（IPS反饋）有機(jī)結(jié)合，構(gòu)建了一個非常完整的解釋框架。邏輯嚴(yán)密，控制實(shí)驗(yàn)（Replay）設(shè)計(jì)得當(dāng)，特別是對LGN陰性結(jié)果的分析非常謹(jǐn)慎（排除了脈沖星和信噪比干擾）。不足之處在于，fMRI的BOLD信號作為血管動力學(xué)反應(yīng)，始終是神經(jīng)活動的間接指標(biāo)，盡管作者通過層流分析和模型試圖彌合，但關(guān)于LGN缺乏競爭信號的結(jié)論仍可能受到BOLD信號在皮層下核團(tuán)靈敏度限制的挑戰(zhàn)（盡管作者做了很多控制分析）。此外，關(guān)于IPS如何獲得眼別信息（在沒有意識知覺的情況下）的具體計(jì)算機(jī)制，仍需進(jìn)一步的電生理研究來確證。

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分享人：天天

審核：PsyBrain 腦心前沿編輯部