[发明专利]大脑视觉通路对面孔空间频率处理的视觉刺激系统及方法

说明书

本发明提供了大脑视觉通路对面孔空间频率处理的视觉刺激系统及方法，首先，利用视觉刺激和核磁共振fMRI技术采集被试者的大脑数据，完成视觉通路中感兴趣脑区的个体化功能定位，然后，利用面孔构型(低空间频率信息)和特征(高空间频率信息)图片作为视觉刺激，并同时记录被试者大脑的核磁共振fMRI数据，解析大脑在进行面孔特征识别和构型识别时不同脑区的作用，以及了解不同脑区之间的功能连接关系，从而完成视觉刺激。本发明可为临床中研究疾病患者大脑对面孔识别能力的异常，从而对疾病的诊治起到辅助作用；本发明对正常人面孔识别能力的脑功能揭示可为面孔识别的人工智能及应用提供依据和帮助。

技术领域

本发明属于神经科学技术领域，尤其涉及大脑视觉通路对面孔空间频率处理的视觉刺激系统及方法。

背景技术

人类获取外界环境信息主要依赖于视觉系统，视觉信息占正常人获取全部感觉信息的70％以上，而约20％的大脑皮层专用于加工视觉信息。其中，面孔信息作为人类社会一种特殊的视觉刺激，对人际交往和环境适应都非常重要。对面孔信息的识别有助于我们获取相应的性别、年龄、种族、熟悉程度和情绪状态等社会信息，同时，探索人类大脑如何对面孔信息进行加工处理，有助于全面认识人类自身的生理机能；并对模式识别、人脸识别的商业应用、计算机科学等应用基础研究和大脑疾病(如弱视、脑损伤及老年痴呆症等)中视觉能力受损原理的临床应用研究及疾病诊治奠定理论基础。

对大脑功能的研究主要分成三个层次：1)外界刺激信号输入，激活相关大脑反应；2)记录激活的大脑反应；3)对记录的数据进行分析，解析出跟输入刺激相关的大脑功能。近年来，新兴的功能核磁共振(fMRI)技术为脑科学研究中记录大脑的功能提供了技术支持，fMRI具有无创、无侵入性等优点，并且具有较高的空间分辨率和时间分辨率，fMRI通过记录血氧水平依赖(BOLD)的变化，实现对神经元活动旺盛区域的准确定位。当人脑接收到视觉刺激时，大脑不同区域相应的神经元产生活动，促使局部代谢活动改变及血氧水平发生变化。利用该技术可以记录不同视觉刺激下脑激活情况的数据，并定位特定视觉刺激激活的脑区，同时结合不同的数据分析方法，解析大脑对视觉刺激反应的时空特性。目前已知大脑视觉通路在处理视觉信息时根据刺激的特征分为两条并行通路，即大(M)细胞通路处理快速的，低空间频率(LSF)的非颜色信息，与运动知觉相关；而小(P)细胞通路处理慢速的，高空间频率(HSF)的颜色信息，与颜色和形状信息有关。大细胞通路的脑结构包括外侧膝状体的大(M)细胞层，初级视皮层(V1)，次级视觉区(V2和V4)及颞叶皮层等；小细胞通路的脑结构包括外侧膝状体的小(P)细胞层，初级视皮层(V1)，次级视觉区(V2和V3)，中颞叶皮层(MT)和顶叶皮层。

以往实验中，利用不同空间频率的简单图形作为视觉刺激验证了我们大脑中具有两条平行的视觉通路，然而，真实世界中不仅简单图形具有不同空间频率信息，复杂刺激也存在高低空间频率的不同。例如，我们生活中常见的人脸面孔，面孔的构型信息(即眉、眼、鼻、口之间的相对位置)和特征信息(即眉、眼、鼻、口等面部器官的形状)对于面孔识别能力非常重要。已有实验发现人类大脑对面孔特征和构型信息分别进行编码加工，而对面孔特征信息的加工依赖于高频空间信息，利用低频空间信息加工面孔构型信息更具优势。相关大脑机制研究发现，枕叶面孔区域(OFA)参与面孔特征信息的加工，但对面孔构型信息不敏感；羧状回面孔区域(FFA)对面孔的高频和低频空间信息具有独立加工的能力，说明FFA脑区中的神经元细胞对高、低空间频率的信号加工尚未整合。

然而，已有的对人类大脑处理面孔构型和特征信息的研究中存在以下问题：1)实验均为对单一脑区的研究，并未对视觉通路进行整体性研究，如视觉通路中不同脑区之间的功能连接，信号传递顺序和效率等；2)均采用非亚裔种族的面孔作为实验刺激，不适合对中国人的大脑功能进行研究。因为，人类的面孔识别能力具有‘异族效应’，即人们对于同种族面孔的识别和记忆能力强于对不同种族的面孔识别和记忆。因此，对于中国人面孔识别能力的研究应采用同种族的面孔作为实验刺激，才能准确的体现大脑对面孔信息的识别和加工能力。

发明内容