很多年前，貝爾實驗室的Bela Julesz 發(fā)現，如果把林肯總統的肖像畫（圖1A）分成很多格子，再將每個格子內的細節(jié)替換成平均亮度后，肖像就變得比較難認（圖1B）。但是Julesz還發(fā)現，如果再通過技術手段把圖1B中的高頻信息(就是圖中那些比較銳利的刺激成分) 給去掉，肖像又變得容易認了（圖1C）。 Julesz因此認為格子化后的肖像變得難認是受到高頻噪音的干擾，并把這一結果發(fā)表在了Science上（Harmon & Julsez, 1973）。 有意思的是，西班牙畫家達利（Salvador Dalí）讀到了這篇科學論文（達利在創(chuàng)作的不同階段分別受過視覺科學和精神分析的影響），于是便有了著名的“Gala Contemplating the Mediterranean Sea which at a distance of 20 meters is transformed into the portrait of Abraham Lincoln” (“距離二十米外看，眺望地中海的嘎娜變成了林肯肖像”，圖1D)。這幅畫的視覺原理是，如果在二十米外看這幅格子畫，畫中的高頻噪音和小尺寸的嘎娜就變得特別高頻，肉眼就看不見了，只能看到林肯。但如果湊近了看，就反過來只能看見嘎娜（如果改變手機或電腦屏幕離眼睛的距離，也能感受到這種變化）。這幅畫的產生過程是幾百年來視覺科學與視覺藝術相互影響的一個美妙的例子。
但是事情并沒有這么簡單！西澳大利亞大學的Concetta Morrone, David Burr 和 John Ross 發(fā)現，如果給格子化后的肖像加更多的高頻噪音，肖像也變得更容易認了（圖1E），顯然Julesz的結論并不準確。Morrone等人認為格子化后的肖像變得難認，真正的原因可能是某種神經機制可能對肖像的方格形狀有反應，從而破壞了人腦對肖像的平滑輪廓的識別；而不管是去掉高頻噪音還是增加更多的高頻噪音都會破壞這些方格刺激以減弱這些神經機制的效應，讓肖像識別又變得更簡單。那么這些神經機制是什么呢？
自從哈佛大學的Hubel 和 Wiesel 兩位電生理學家在五十年代末六十年代初發(fā)現視覺初級皮層不同的神經元開始對不同角度的線條有選擇性喜好后，就有一些視覺科學家推測視覺皮層還可能存在對兩條相交線條起反應的神經元，畢竟不同角度的線條需要經常交叉來形成物體的形狀。這其中尤其是心理物理學家通過心理物理實驗，發(fā)現大腦非常有可能存在專門對交叉線條或者格子（圖2A）起反應的神經機制?？墒窃陔娚韺W的單細胞記錄中，初級視皮層神經元對最佳角度線條的反應卻會被額外的交叉線條所抑制，顯然這些經典的神經元并不適合用來檢測交叉線條或者格子刺激。那么對這些交叉線條或者格子刺激的反應，是不是只能由更高級視覺腦區(qū)的神經元來完成，還是初級視皮層中確實存在有專門的神經元，只是以前的研究沒有找到而已？
下面的故事特別簡單：我們（北京大學唐世明老師和余聰老師）兩個實驗室這幾年一直在運用雙光子鈣成像技術研究獼猴的初級視覺皮層神經元的反應，包括對交叉線條或者格子刺激的反應。雙光子成像技術可以在單個神經元的精度上，同時對數百個神經元的活動進行記錄， 相對于傳統單電極記錄和內源性光成像技術有極大的優(yōu)越性。兩個實驗室在剛發(fā)表的論文中報告了獼猴初級視覺皮層許多專門對格子刺激起反應的神經元（圖2）（Guan et al., 2020）。有意思的是，這些神經元對線條或者光柵不怎么反應（圖2B中比較平緩的藍色曲線），而傳統的單電極技術一般要用線條或者光柵來找神經元，這樣就自動把這些對格子起反應的神經元給剔除了，所以一直沒有找到。這些格子神經元(plaid neurons)的發(fā)現，給從Julsez到達利到Morrone等人的關于林肯肖像的視覺與視覺藝術的美妙故事又添加了新的內容。
圖1
圖2
Guan, S. C., Zhang, S. H., Zhang, Y. C., Tang, S. M., & Yu, C. (2020). Plaid detectors in macaque V1 revealed by two-photon imaging. Current Biology, 10.1016/j.cub.2020.01.005
2020-02-27