Top-down知覺加工下的視覺傳導特征

周愛保，岳紅云,2，劉顯翠，張 奮

0引言

人類的視知覺狀態及效率往往反映了認知過程參與生理功能的主要特征。知覺的上行通路與下行通路對視覺認知的最終結果的影響存在顯著差異[1]。概念驅動(concept-driven)的視覺加工包含了個體的搜尋愿望及視覺期待，自我面孔的唯一性決定了個體對其關注水平高于一般注視目標，并且產生相對的生理、記憶、情緒、再認等認知心理反射[2]。

經典視覺研究專注于自下而上(Bottom-up)過程，試圖應用動物模型及計算機技術進行視覺特征研究[3-4]，然而，即使完全由Bottom-up完成的視覺過程，由于認知特征差異，視覺期待形成的關注(attention)仍舊可能改變視知覺結論[5]。大腦皮質的功能分區及皮質功能分區細化和事件相關電位(event-related potentials，ERP)研究證實，Bottom-up視覺過程中早期視皮質的功能啟動對于視覺結論具有重要意義[6-9]。從認知角度而言，自上而下(Top-down)和Bottom-up二者在視覺產生過程中的協同作用及彼此調制控制特征[10-11]決定了視覺結局與視覺期待之間的相互關系。與數據驅動的視覺加工過程中應用的刺激圖形不同，Top-down知覺通路屬于有認知意義的概念刺激，而前者屬于無需解釋的數據刺激，因此可以依據二者引發的視覺誘發電位，判斷Top-down通路激活與單純Bottom-up通路傳導下的視覺誘發電位特征差異[12-15]。本研究針對兒童的年齡特點呈現的自我認知特征，在檢測概念驅動視覺過程特征時，運用自我視覺期待，激活Top-down知覺通路，研究Top-down知覺通路參與下，圖形視覺誘發電位(pattern visual evoked potential，PVEP)提示的視覺傳導效率及其特征。

1對象和方法

1.1對象選取2020-01/06于我院門診進行健康查體的兒童志愿者26名，其中男13名，女13名，平均年齡10.12±0.27歲，右利手，韋克斯勒兒童智力量表(WISC)測量IQ正常，視力20/20(ETDRS視力表)。排除PVEP測量過程中有效重復波形低于95%的受檢者。本研究作為兒童相關的臨床試驗已經過我院醫學倫理委員會審查(審批號：LCSYLL20200612)。所有研究對象及其監護人均對本研究知情同意，并均由其監護人簽署知情同意書。

1.2方法

1.2.1視覺通路設計Top-down刺激視覺注視點：拍攝兒童的顏面部照片，應用圖像處理軟件將圖片處理為黑白素描圖形，能夠清晰分辨兒童。Bottom-up刺激視覺注視點：兒童的顏面部照片素描處理后數碼化為不同亮度黑白數碼圖形，使不能分辨為兒童(圖1)。

1.2.2操作過程

1.2.2.1建立兒童Top-down知覺刺激材料研究開始前，于自然光診室(照度120～150Lx)設置白色無反光背景墻，采用佳能照相機(型號：IXUS115 HS；參數：有效像素1 210萬，光學變焦4倍，焦距24～120mm)為兒童拍照3次。兒童注視3min比較圖片后，選擇滿意圖片1張，打印為14mm透明背景照片，貼附照片于常規視標位置。同時，建立Bottom-up程序的指導語(“請注視紅色方格圖形”)和Top-down程序的指導語[“請注視***(兒童名字)”]。

1.2.2.2 PVEP檢查所有研究對象均選取右眼為觀察眼，采用羅蘭視覺電生理系統進行PVEP檢查。參數設置：(1)低頻空間刺激：黑白翻轉正方形邊長14mm，翻轉頻率14Hz；(2)高頻空間刺激：黑白翻轉正方形邊長7mm，翻轉頻率14Hz。檢測指標：N75潛時、P100峰值時間、P100波幅、P100復極化時間。

統計學分析：采用SPSS 20.0統計學軟件進行統計學分析。計量資料采用均數±標準差表示，采用2(視覺誘發電位刺激參數：高頻空間刺激、低頻空間刺激)×2(知覺途徑：Top-down、Bottom-up)交叉設計資料的重復測量方差分析進行數據分析。P<0.05為差異具有統計學意義。

圖1 Top-down和Bottom-up視覺刺激圖形示例 A：Top-down刺激(兒童素描像)；B：Bottom-up刺激(兒童數碼像)。

表1 不同視知覺加工路徑下不同空間頻率對N75潛時的影響

表2 不同視知覺加工路徑下不同空間頻率對P100峰值時間的影響

2結果

2.1不同視知覺加工路徑下不同空間頻率刺激反應N75潛時的差異視知覺加工路徑的主效應不顯著[F(1，25)=0.639，P=0.432，η2=0.025)]，空間頻率主效應顯著[F(1，25)=5.240，P=0.031，η2=0.173]，視知覺加工路徑與空間頻率的交互作用不顯著[F(1，25)=1.658，P=0.210，η2=0.062]，表明不同視知覺加工路徑對N75潛時無顯著影響，表現為Top-down與Bottom-up條件下無顯著差異，而不同空間頻率對N75潛時具有顯著影響。同時，視知覺加工路徑與空間頻率二者之間的交互作用不顯著，表明N75潛時主要與空間頻率相關，即空間頻率高的情況下，Top-down能夠顯著縮短N75潛時，但是與單純空間頻率對N75潛時影響水平相比，低頻空間頻率條件下N75更快出現(表1)。

2.2不同視知覺加工路徑下不同空間頻率刺激反應P100峰值時間的差異視知覺加工路徑的主效應不顯著[F(1，25)=1.313，P=0.263，η2=0.050]，空間頻率主效應也不顯著[F(1，25)=3.044，P=0.093，η2=0.109]，而視知覺加工路徑與空間頻率的交互作用則呈現顯著影響[F(1，25)=28.349，P<0.001，η2=0.531]，表現為在Top-down條件下，高頻空間刺激對P100影響為P100波峰值出現時間顯著縮短(表2)。

2.3不同視知覺加工路徑下不同空間頻率刺激反應P100波幅的差異視知覺加工路徑的主效應顯著[F(1，25)=27.333，P<0.001，η2=0.521]，空間頻率主效應顯著[F(1，25)=6.919，P=0.014，η2=0.217]，而視知覺加工路徑與空間頻率的交互作用不顯著[F(1，25)=0.021，P=0.887，η2=0.001]，表現為在Top-down條件下，高頻空間刺激與低頻空間刺激對P100影響均表現為P100波幅顯著提高，且高頻空間與低頻空間頻率影響水平大致相當，而空間頻率主效應影響對于P100波幅的影響主要表現為高頻空間產生了更高P100波幅，但其影響水平小于知覺途徑的影響(表3)。

表3 不同視知覺加工路徑下不同空間頻率對P100波幅的影響

表4 不同視知覺加工路徑下不同空間頻率對P100復極化時間的影響

2.4不同視知覺加工路徑下不同空間頻率刺激反應P100復極化時間差異視知覺加工路徑的主效應顯著[F(1，25)=8.806，P=0.007，η2=0.260]，空間頻率主效應顯著[F(1，25)=21.148，P<0.001，η2=0.458]，而視知覺加工路徑與空間頻率的交互作用不顯著[F(1，25)=2.468，P=0.129，η2=0.090]，表現為在Top-down條件下，高頻空間刺激與低頻空間刺激對P100復極化時間的影響均表現為時值顯著減少，但Top-down對高頻空間與低頻空間頻率影響水平大致相當(表4)。

3討論

低頻空間刺激下，N75成分的視覺傳導特征表現為知覺通路對于PVEP的影響并不比空間頻率的影響顯著，提示當刺激位置與黃斑中心凹視錐細胞參與數目有關時，高頻空間由于分辨率更高，需要更加精細視覺的黃斑區視錐細胞參與，其與神經纖維的一對一相聯系，分辨精細視覺，精細視覺的多皮質參與特征可能使得其受到Top-down的影響機會變小。Top-down參與下的Bottom-up傳導過程提高了視覺傳導效率，視覺傳導細胞表現為去極化時間顯著縮短，先驗知識和視覺期待能夠提高視覺行為的主動性和視覺行為的效率。Top-down參與下低頻空間與高頻空間刺激均顯示P100波幅顯著高于單純Bottom-up刺激產生的P100波幅。由于視覺細胞的動作電位表現為全或無特征，因此當整體波幅提高時，可以初步得出結論，在Top-down參與下，動員了更多視覺細胞參與視覺活動。故認為Top-down能夠提高視覺行為的興奮神經元數量，提高視覺傳導總能量。高頻刺激產生的P100復極化時間明顯縮短，而低頻刺激產生的P100復極化時間較長，但二者較單純Bottom-up產生的P100復極化時間均顯著縮短。分析可能是由于Top-down參與下的認知過程顯著延長，此處尚有生理性解剖結構不能解釋的視覺過程。

Top-down知覺通路參與下，視覺傳導效率及速率均高于單純Bottom-up視覺過程，因為Bottom-up過程并非單純無下行視覺支配系統參與的完全低級中樞活動(無反射參與)，在無顯著Top-down知覺參與的視覺傳導過程中，可將其簡要認為是視覺及視覺傳導神經元的對外界環境反應的基礎活動。Top-down知覺過程主要表現為對視知覺活動的精細過程參與水平更高，提高視知覺過程中神經元激活數量，從而在視覺刺激圖形要求的高分辨率環境中，得到更多的生理基礎資源，與現有文獻研究結論一致[16-17]。本研究從視覺發展的角度考量，研究結論與視覺的進化結果一致，即個體面臨復雜而精細的自我相關視覺對象時，能夠更大程度調動神經元參與視覺過程。