讲座丨空间感知

大家下午好，我是来自中科院神经所空间感知觉机制研究组的李文灏。大家在商场里面可能会看到这样一个运动赛车模拟器，三联显示屏提供了极致的视觉享受，底部的运动平台的运动提供了真实的前庭感觉，仅仅这两种感觉就可以让我们感觉自己置身于一辆飞驰的法拉利当中。那么，这种真实感从哪里来呢？空间感知就起到了重要的作用。

 

视觉

我们对外界信息的获取80%是通过视觉系统完成的。当我们向前走的时候，外界环境在我们视网膜上的投影将呈现这么一种放射状的图案，我们称这种放射状的图案为光流，早在1950年科学家就指出光流是我们判断行进方向的重要依据。

放射状图案——光流

前庭觉

前庭器官主要位于我们的内耳中，它包括三个互相垂直的半规管以及由椭圆囊和球囊组成的耳石器。半规管内含有淋巴液，当我们左右转动的时候，里面的淋巴液由于惯性作用将会往相反方向推压毛细胞的纤毛，引起毛细胞的兴奋，并向该侧的神经中枢发送大量的神经冲动，这个时候我们就知道自己在向左转还是向右转。而耳石器，顾名思义，它里面含有大量的碳酸钙盐结晶，就像小石头一样。当我们在水平面上作直线变速运动的时候，这种“小石头”同样也会由于惯性作用牵拉毛细胞的纤毛，造成神经冲动。这两套前庭感觉器官分别感受我们运动过程中的角加速度和线性加速度。

前庭-视觉虚拟现实系统

为了研究前庭觉与视觉是如何影响我们空间感知的，我们实验室建立了一套前庭-视觉虚拟现实系统。这套系统由两部分组成，分别是负责提供空间信息的 MOOG 系统，和负责控制指令的 TEMPO 系统。MOOG 系统主要包括一个六自由度的运动平台，它通过平台的真实运动提供前庭感觉，通过显示器的光流信息模拟视觉的刺激。猕猴在实验舱内或者根据单一的视觉刺激，或者根据单一的前庭刺激，或者根据两种刺激的不同组合来做行为任务。而 TEMPO 系统则负责实时控制这些刺激的给出以及记录猕猴的行为结果。

前庭-视觉虚拟现实系统

我们关心我们的大脑是如何利用前庭觉与视觉来进行空间感知的，所以我们在大脑的感觉皮层如 MSTd 和联合皮层如 LIP，VIP 以及 FEF 等脑区开展电生理记录，获得单个神经元的动作电位。同时我们还人为地操纵这些神经元的活动来建立神经元与抉择认知之间的直接因果关系，常用的方法有微电流刺激，可逆性药物失活，以及正在开展的光遗传操纵。

 

那么简化的实验条件是否适用于自然环境下的空间感知呢？这是一个由实验室简化的条件测量的 MSTd 神经元的调谐曲线。曲线越靠近外圈，说明神经元的活动越强烈，所以说这个神经元“偏好”方向是右前方，在自然环境下，车子右转弯的时候这个 MSTd 神经元发放更加密集更加强烈，所以说我们实验室的简化条件同样适用与自然环境下的空间感知。而且，我们仅仅从单个 MSTd 神经元的活动就可以推断出你在向左转还是向右转。

左图：MSTd 神经元的调谐曲线；右图：自然环境叠加局部光流矢量

 

随着新的技术的开发以及新的理论的建立，我相信空间感知机制的研究将会给我们的生活带来深远的影响，例如更加真实的 VR 设备，更加安全可靠的自动驾驶应用等等。

来源：中国科学院上海生命科学研究院神经科学研究所