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饶毅和方方课题组合作发文报道视觉变换的基因分析研究进展
日期: 2018-09-25  信息来源: 生命科学学院

这张图,你看到的是一个花瓶,还是两个人的侧脸?

仔细观察它一段时间,你会发现,有的时候看到的是白色花瓶,有的时候又是黑色的两张人脸,而且随着时间推移,似乎看到的图像会在花瓶和人脸之间来回自动切换,但是,在任一特定时刻,你看到的都是花瓶或人脸中的一种。

这一变换不是图像的问题,也不是你眼睛的问题:眼睛的视网膜接收到的物理刺激是恒定不变的。

那么,变换在哪里?在你的大脑里。变换不定的是我们大脑中知觉的图像。

这一独特而有趣的视觉认知现象被称为视知觉双稳态,有名的知觉双稳态例子除了前面的人脸花瓶外,还有Necker立方体:由于缺乏深度信息,该立方体既可以被看作左图朝左上方凸出,也能视为右图向右下方凸出(如下图)。

 
Necker立方体

而当双眼分别呈现不同的图像刺激时,大脑知觉到的图像在一只眼的影像停留几秒钟后就会被另一只眼的影像所取代,往复交替,两只眼睛均力争使自己接收到的图像刺激在大脑的知觉中占主导地位,这一现象被形象地称为“双眼竞争”。

视知觉双稳态现象在1832年就被研究者Necker以Necker立方体为例展开科学、系统的描述(1)。1838年,另一位研究者Charles Wheatstone则利用自制的立体镜首次系统地研究了视知觉竞争的另一分支——双眼竞争(2)

知觉竞争可以被大脑自上而下地主观控制(3,4)。人类知觉切换速率的快慢和主观控制能力的强弱存在巨大的个体间差异。一些精神疾病(如双向情感障碍、自闭症)的患者会表现出与常人不同的知觉竞争模式(5-9),表现在知觉切换速率快慢、在每个知觉状态下停留的时间长短等方面,因此,研究知觉竞争的生物学基础可能有助于我们寻找这些特定精神疾病的生物学标记(10)。对人类视知觉竞争及其主观调控的认知科学研究,一直以来都依赖于心理学行为实验和包括脑电图、脑磁图、脑核磁共振成像等在内的脑成像研究(11-13),鲜少涉及遗传学方面的探索。

北京大学麦戈文脑研究所所长、生命科学学院教授饶毅实验室已毕业博士生陈碧清和朱子建、心理与认知科学学院方方教授实验室已毕业博士生娜仁等,对近3400人的中国汉族大学生群体的知觉切换行为和大脑的主观调控进行了系统研究,实验室成员选取经典的Necker立方体和基于红蓝立体眼镜的双眼竞争两种视知觉竞争的实验范式,探究了Necker立方体的知觉切换速率受大脑自上而下主观调控的影响。通过分析这些被试的行为和基因组数据,团队发现个体的自发知觉切换速率具有约25%的遗传力,为将知觉切换速率作为潜在的精神疾病生物标记奠定了遗传基础。研究人员还对2441人的大样本从多个水平进行全基因组关联分析,并用943人的样本进行了验证,挖掘出PRMT1、OR11A1、OR1L6等基因与自发知觉切换速率相关,单核苷酸多态性位点rs184765639、rs75595941、基因MIR1178等与主观调控强度有关联(14)。进一步的大脑核磁共振结构成像实验揭示,rs184765639的不同基因型个体的左侧尾部中额叶的皮质表面积存在差异。耐人寻味的是,虽然双眼竞争和Necker立方体两者之间存在少量共有的关联基因和相关信号通路,但是从行为和遗传两个角度一致发现,视知觉竞争的不同范式之间相关性并不高(相关系数不到0.3),这意味着不同知觉竞争范式存在不完全相同的生物学机制。

该研究以“Genomic analyses of visual cognition: perceptual rivalry and top-down control”为题,于2018年9月21日在线发表于Journal of Neuroscience(《神经科学杂志》)。陈碧清和朱子建、娜仁为共同第一作者,饶毅和方方为通讯作者。这是饶毅实验室和方方实验室利用基因组学研究方法探索人类的视觉认知行为的生物基础方面开展合作以来,发表的第一篇合作论文,研究结合了饶毅实验室的遗传分析特长和方方实验室的视觉认知特长。合作单位为重庆医科大学。

饶毅实验室研究人类认知行为的分子基础,这篇视知觉竞争的全基因组关联研究是饶毅实验室发表的第四篇关于人类认知的研究、第三篇人类认知遗传分析的文章。其发表的第一篇为2016年朱子建等在Cognition(《认知》)上有关人类记忆干扰与再巩固机制的论文(15),饶毅与心理学系吴艳红教授为共同通讯作者;第二篇为2018年陈碧清等在Journal of Human Genetics(《人类遗传学杂志》)发表的人类从众行为的全基因关联分析研究(16),通讯作者为饶毅;第三篇为2018年陈碧清、朱子建等发表于European Journal of Human Genetics(《欧洲人类遗传学杂志》)的人类记忆的全基因组关联分析研究(17),通讯作者为陈碧清和朱子建。

参考文献:

1.Necker LA (1832) Observations on some remarkable optical phaenomena seen in Switzerland; and on an optical phaenomenon which occurs on viewing a figure of a crystal or geometrical solid. LXI. The London and Edinburgh Philosophical Magazine and Journal of Science.

2.Wheatstone C (1838) On some remarkable, and hitherto unobserved, phenomena of binocular vision. Philos Trans 128: 371–394.

3.Kornmeier J, Hein CM, Bach M (2009) Multistable perception: when bottom-up and top-down coincide. Brain Cogn 69:138-147.

4.Scocchia L, Valsecchi M, Triesch J (2014) Top-down influences on ambiguous perception: The role of stable and transient states of the observer. Front Hum Neurosci 8:979.

5.Nagamine M, Yoshino A, Miyazaki M, Takahashi Y, Nomura S (2009) Difference in binocular rivalry rate between patients with bipolar I and bipolar II disorders. Bipolar Disorders 11:539-546.

6.Wimmer MC, Doherty MJ (2010) Children with autism’s perception and understanding of ambiguous figures: Evidence for pictorial metarepresentation, a research note. Br J Dev Psychol 28:627-641.

7.Allen ML, Chambers A (2011) Implicit and explicit understanding of ambiguous figures by adolescents with autism spectrum disorder. Autism 15:457-472.

8.Vierck E, Porter RJ, Luty SE, Moor S, Crowe MT, Carter JD, Inder ML, Joyce PR (2013) Further evidence for slow binocular rivalry rate as a trait marker for bipolar disorder. Aust N Z J Psychiatry 47:371-379.

9.Robertson CE, Kravitz DJ, Freyberg J, Baron-cohen S, Baker CI (2013) Slower rate of binocular rivalry in autism. J Neurosci 33:16983-16991.

10.Ngo TT, Mitchell PB, Martin NG, Miller SM (2011) Psychiatric and genetic studies of binocular rivalry: an endophenotype for bipolar disorder? Acta Neuropsychiatr 23:37-42.

11.Pitts MA, Gavin WJ, Nerger JL (2008) Early top-down influences on bistable perception revealed by event-related potentials. Brain Cogn 67:11-24.

12.Parkkonen L, Andersson J, Hamalainen MS, Hari R (2008) Early visual brain areas reflect the percept of an ambiguous scene. Proc Natl Acad Sci USA 105:20500-20504.

13.Watanabe T, Masuda N, Megumi F, Kanai R, Rees G (2014) Energy landscape and dynamics of brain activity during human bistable perception. Nat Commun 5:4765.

14.Zhu ZJ, Wang YY, Cao ZJ, Chen BQ, Cai HQ, Wu YH, Rao Y (2016). Cue-independent memory impairment by reactivation-coupled interference in human declarative memory. Cognition 155:125-134.

15.Chen BQ, Zhu ZJ, Wang YY, Ding XH, Guo XB, He MG, Fang W, Zhou SB, Zhou Q, Huang AL, Chen TM, Ni DS, Gu YP, Liu JN, Lei H, Rao Y (2018). Nature vs. nurture in human sociality: multi-level genomic analyses of social conformity. J Hum Genet 63:605-619.

16.Zhu ZJ, Chen BQ, Yan HM, Fang W, Zhou Q, Zhou SB, Lei H, Huang AL, Chen TM, Gao TM, Chen L, Chen JY, Ni DS, Gu YP, Liu JN, Zhang WX, Rao Y (2018). Multi-level genomic analyses suggest new genetic variants involved in human memory. Eur J Hum Genet published online July 3rd, 2018.

17.Chen BQ, Zhu ZJ, Na R, Fang W, Zhang WX, Zhou Q, Zhou SB, Lei H, Huang AL, Chen TM, Ni DS, Gu YP, Liu JN, Fang F, Rao Y (2018). Genomic analyses of visual cognition: perceptual rivalry and top-down control. J Neurosci published online, September 21, 2018.

编辑:麦洛


   
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