大腦區分來源于主觀想象與客觀感知信息的神經機制

8月15日，《神經科學雜志》（The Journal of Neuroscience）在線發表了題為Neural representations in visual and parietal cortex differentiate between imagined, perceived, and illusory experiences的研究論文。該研究由中國科學院腦科學與智能技術卓越創新中心俞青研究組完成。該工作利用功能性核磁共振成像（fMRI）記錄人類被試在感知和維持不同來源信息過程的大腦活動，揭示了頂葉皮層和早期視覺皮層在區分來自內部想象和外部感知信息中的不同重要作用，增進了科學家對人類大腦是如何區分想象與現實的認知。?

人類擁有豐富的想象力。想象指的是在沒有外部感覺輸入的情況下，腦海中自主產生信息的過程。這一能力是高級認知能力的基礎和大腦進行創造創新的靈感源泉。現實生活中，人們可清晰地區分來自想象與現實的內容。然而，當這種現實監測的能力出現異常時，正常的生活就會被打亂。許多神經與精神性疾病伴隨著現實監測能力的異常，例如精神分裂癥患者常常出現幻覺和妄想等典型癥狀。那么，區分感知和想象的大腦機制是什么？?

過往研究發現，在早期視覺皮層（early?visual cortex，EVC），外界視覺輸入感知的神經表征和反應強度大于大腦內部視覺想象的表征和反應強度。在想象產生的高級腦區內，來源于視覺想象的神經表征強度是否會超過外界視覺輸入的感知，從而讓人主觀產生“這件事情是我自己想象出來”的感覺？該研究提出了一個假設，即不同腦區對于感知和想象內容神經表征的強度差異，可能是大腦判斷想象與現實的基礎。如果這假設成立，是否可以預測其他視覺現象的感知活動？例如，視覺錯覺可被理解為是介于視覺想象與真實視覺感知之間的特殊視覺體驗。經歷錯覺時，人們看到的事物與實際呈現的內容不一致，就是看到了無中生有的事物，這與視覺想象相似；人們常常主觀認為錯覺是由外部世界刺激產生的，這與視覺感知相似。這樣特殊的主觀與客觀體驗，能否在不同腦區的神經表征差異上反映出來？?

為了驗證這些假設，俞青研究組設計了兩個實驗，分別使用動態的Gabor（圖1A）和靜態的線條（圖1E）兩套刺激，結合工作記憶的延遲回憶（delayed-recall）范式，構建了視覺想象、視覺感知、視覺錯覺三個實驗條件。在不同條件下，被試分別需要想象或感知不同朝向（orientation）的視覺刺激并把這些信息保持在腦海中。研究結合機器學習算法、編碼模型等分析了不同腦區內BOLD信號反應模式，進而比較各腦區神經活動對朝向信息的神經編碼強度在不同條件之間的差異。?

兩個實驗結果與實驗假設一致：頂葉頂內溝（intraparietal sulcus,?IPS）內，視覺想象中對于朝向的神經表征強度高于視覺感知，這與早期視覺皮層內觀察到的視覺感知神經表征強于視覺想象的結果相反（圖1B-C、圖1G-I）。研究進一步細分腦區發現，想象與感知之間的神經表征強度差異，沿著從后往前的皮層區域呈現出由負到正的遞增趨勢，并在枕頂葉交界處的V3AB腦區中趨于相等（圖2A）。此外，視覺錯覺的神經表征在低級腦區早期視覺皮層內與視覺想象更相近，而在高級腦區頂葉皮層內則與視覺感知更接近。換言之，早期視覺皮層編碼“視覺現實”，即信息真實的信號來源；而頂葉皮層負責“視覺信念”，即被試主觀認為的信息來源。

科研人員通過多個對照實驗與分析，證明上述結果與不同條件之間的刺激差異、BOLD激活水平差異、眼動模式差異或解碼模型差異等因素無關。研究進一步分析了其他高級腦區的實驗結果發現，與頂葉皮層在想象中發揮的廣泛（domain-general）作用不同，VO、MT+等高級視覺腦區特異性地參與想象的產生（domain-specific），即僅在想象特定形式的內容時有更多的參與（圖2B-2D）。此外，科研人員結合時間泛化分析（temporal generalization）發現，在實驗一中，早期視覺皮層對視覺感知呈現動態變化的神經編碼模式，而在視覺想象和視覺錯覺中則表現出穩定的神經編碼模式（圖2E）；在頂葉皮層中，僅在視覺想象中觀察到動態的神經編碼（圖2E）。這種差異表明不同腦區在編碼視覺感知和視覺想象時，在神經元群體水平上表現出不同的動態神經編碼特性。

該研究揭示了早期視覺皮層和頂葉皮層在編碼視覺感知和想象的不同工作機制，表明頂葉皮層在產生內容特定的想象中發揮關鍵且廣泛的作用，為探討大腦區分現實與想象的神經機制提供了直接證據，為進一步探究伴有想象異常的神經精神性疾病的發病機理提供了重要啟發。

研究工作得到科學技術部、國家自然科學基金委員會、中國科學院和上海市的支持。