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1、中国科学技术大学博士学位论文视觉信息的动态记忆表征及视通路的认知神经科学研究姓名：饶恒毅申请学位级别：博士专业：生物物理指导教师：陈霖2002.8.1中国科技大学博士学位论文摘要对人类认知功能及其大脑神经机制的探索，是了解人类智力奥秘的核心环节，也是现代认知神经科学的主要目标之一。本博士论文通过采用实验心理学的典型方法和现代认知神经科学的功能核磁共振成像( f M P J ：f u n c t i o n a lm a g n e t i cr e s o n a n c ei m a g i n g ) ，脑电事件相关电位( E R P ：e v e n t r e l a t e dp o
2、 t e n t i a l ) 等先进技术，从整体的、系统的和动态的角度，在视觉动态记忆表征，似动，及视觉通路三个方面展开了深入的研究。已有的动态记忆表征研究提示，在心理表征中存在对物理世界的动量等规律的内化的动态表征( f o rar e v i e w ，s e eF r e y d ，1 9 8 7 ，1 9 9 3 ；H u b b a r d ，1 9 9 8 ) ，并发现了表征动量( R e p r e s e n t a t i o n a lM o m e n t u m ) 这种与物理惯性相类似的动态记忆表征现象。然而，目前大多数表征动量研究都忽略了表征动量的两个根本问题：
3、表征动量中变换的是什么，什么样的变换能够产生动态的表征( K e l l y F r e y d ，1 9 8 7 ) 。围绕这两个问题，本论文的第一部分通过一系列的心理学行为实验研究发现：动态记忆表征并不仅仅局限在对运动的表征上，对图形大小性质的变化同样存在表征动量现象；表征动量受到图形形状不变性变换的影响，表现出类似与视知觉表达中的形状不变性的功能层次，并且提示作为视觉基本表达的拓扑性质检测，同样发生在视觉记忆的动态表征的初期。本部分研究结果一致提示动态记忆表征可能是物体不变性表征的反映，并拓宽了视知觉功能层次理论( C h e n1 9 8 6 ；1 9 9 9 ) 的领域，而质疑了简单
4、地认为记忆的动态表征是在心理世界对物理世界的惯性等运动规律的内化的学说。似动现象的中心问题是“对应问题”( c o r r e s p o n d e n c ep r o b l e m ) ，即对应过程所匹配的性质( c o r r e s p o n d e n c et o k e n s ) 究竟是什么的问题。本论文的第二：部分围绕该问题，通过联合搜计的功能磁共振实验研究了形状因素对似动的影响。本研究的结果发现：不同形状的图形间的似动在前颞叶上能够引起不同程度的兴奋，表明形状因素的确在似动中有影响作用，并提示长程似动的知觉过程中存在形状不变性的功能层次。本部分研究结果第一次从大脑神经
5、机制的角度，找到支持视知觉拓扑性质检测和功能层次理论的证据，而质疑了传统的结构图形不是似动对应的基本单元的理论( U l l m a n 1 9 7 9 ) 。认知神经科学的一项重要成就是在人类视觉皮层中发现了功能和结构分离的两条通路：与物体识别有关的腹侧通路( v e n i a lo r “w h a t ”p a t h w a y ) 和与空间定位及运动知觉有关的背侧通路( d o r s a lO r “w h e r e ”p a t h w a y ) 。目前，大量的研究都集中在确定与某种特征加工相关的脑视觉功能区上，而很少有研究能够同时从功能定位和时间过程的角度同时探讨视2中国
6、科技大学博士学位论文觉皮层通路的动态机制。本论文的第二部分通过结合功能磁共振技术和1 2 8 导高分辨率脑电技术，研究了形状知觉和空间位置知觉的视通路功能活动的动态过程。本研究的结果发现：从E R P 上观察，形状和空间位置的知觉比单纯形状知觉表现出N 2 波幅的显著降低，P 3 潜伏 I 的显著缩短：从f M R l 上观察，形状知觉主要引起与物体识别有关的腹侧通路的兴奋，空间何置知觉主要引起与空间位置和运动有关的背侧通路的兴奋，形状和空间位援的知觉引起腹侧通路平背侧通路的兴奋；并且，通过f M R l 结合E R P 的偶极子源定位分析表明，对同时涉及形状和空间位置的知觉任务，空间何置知觉
7、引起的背侧通路兴奋的开始甲丁形状知觉引起的腹侧通路兴奋的开始，但是背侧通路兴奋的峰值晚丁腹侧通路兴奋的峰值。本部分研究结果第一次同时从脑功能活动的解剖定位和功能活动的时间过程的角度，得剑了视觉形状和空间位置加工的动态神经机制，支持并丰富了视知觉的功能和解剖位置分离的两条通路理论，提示两条通路之间并非简单的二分法关系，而存在复杂的并行加【和相鱼作用。本论文的研究1 ：作具有两个鲜明的创新特点，一个特点是从整体的、系统的和动态的角度来研究整体性视知觉的处理过程，另一个特点是一直在追踪国际上仍然在不断发展和更新的先进的脑成像技术，并将这些技术成功应用到我仃J 的l ：作中。本论文的研究成果( 详见文
8、末的发表文章附录) 已在国内核心刊物上发表文章5 篇，在国际神经科学刊物H u m a nB r a i nM a p p i n g ( 2 0 0 1 年影响因子5 6 8 8 ) 上被接受文章1 篇，在国际人类脑成象会议( H B M2 0 0 0 年会) 上发表文章4 篇，在国际医学磁共振会议( I S M R M1 9 9 9 ，2 0 0 1 ，2 0 0 2 年会) 上发表文章4 篇，并2 次获得会议的学生资助( 1 9 9 9 ，2 0 0 1 ) 。中国科技大学博士学位论文A b s t r a c tO n eo f t h em a i ng o a l so f C o
9、 g n i t i v eN e u r o s c i e n c ei st ou n d e r s t a n d i n gt h eh u m a nc o g n i t i o na n di t su n d e r l y i n gn e u r a lm e c h a n i s m s F r o mt h ev i e wo fg l o b a l ，s y s t e m a t i ca n dd y n a m i cc o g n i t i o n ，t h i st h e s i se x p l o r e dt h r e es e c t
10、i o n so fh u m a nc o g n i t i o nb yt r a d i t i o n a lp s y c h o p h y s i c a lm e t h o d sa n da d v a n c eb r a i ni m a g i n gt e c h n i q u e s I nt h ef i r s ts e c t i o n ，n i n ep s y c h o p h y s i c a le x p e r i m e n t si n v e s t i g a t e dt h er e p r e s e n t a t i o
11、 n a lm o m e n t u me f f e c t su n d e rs h a p e c h a n g e dt r a n s f o r m a t i o n s I nE x p e r i m e n t1 - 5 ，t h es t a n d a r d “f r o z e n - f r a m e p a r a d i g mw a su s e da n dt h er e p r e s e n t a t i o n a lm o m e n t u me l i c i t e db yt h ec o n s i s t e n tc h
12、a n g eo f s i z ew a sr e v e a l e d I nE x p e r i m e n t6 7 t h es t a n d a r dr o t a t i o np a r a d i g mw a su s e dt oi n v e s t i g a t et h em o m e n t u me f f e c t su n d e rt h ec o n d i t i o n st h a tt h es e c o n di n d u c i n gr e c t a n g l ew a sc h a n g e dt od i f f
13、 e r e n tf o r m sa n dah i e r a r c h yo ft h ef o r mt r a n s f o r m a t i o ne f f e c t so nt h er e p r e s e n t a t i o n a lm o m e n t u mw a sr e v e a l e d I nE x p e r i m e n t8 & 9 ，a na l t e r n a t i v e l yp r e s e n t a t i o np a r a d i g mw a su s e dt oi n v e s t i g a
14、t et h ee f f e c t so f t o p o l o g i c a lp r o p e r t yo nt h ed i s t o r t i o no ff o r mr e p r e s e n t a t i o ni nm e m o r ya n dt h er e s u l tt u r n e do u tt h a tt o p o l o g i c a l l yd i f f e r e n tv i s u a ls t i m u l ia r em o r ed i s c r i m i n a b l et h a nt o p o
15、 l o g i c a l l ye q u i v a l e n ts t i m u l i T h e s er e s u l t sp r o v i d e de v i d e n c e sf r o mt h ed y n a m i cm e m o r yr e p r e s e n t a t i o nt h a ts u p p o r t e dt h et h e o r yo f t o p o l o g i c a ls t r u c t u r ea n df u n c t i o n a lh i e r a r c h yo f f o r
16、 mp e r c e p t i o n ( C h e n ，1 9 8 6 ；1 9 9 9 ) I nt h es e c o n ds e c t i o n ，t w of M R Ie x p e r i m e n t si n v e s t i g a t e dt h er o l eo ff o r m si nt h el o n g r a n g ea p p a r e n tm o t i o nb yt h ec o n j u n c t i o ne x p e r i m e n t a ld e s i g n s T w os t i m u l u sf i g u r e sw i t hd i f f e r e n tf o r m sw e r es u c c e s s i v e l yp r e s e n t e dt oi n d u c ea p p a r e n tm o t i o n T h ea p p a r e n tm o t i o nb e t
