脑与认知科学国家重点实验室 研究成果概况

2001-2005年，本实验室在Science, Nature上发表研究论文4篇，被接受2篇。

2005年，Visual Cognition出版了关于拓扑性质知觉理论的专辑；本实验室应邀撰写了“lead paper”和“reply”论文。

2001-2005年，本实验室共发表SCI和SSCI论文222篇，获得美国发明专利授权1项、国家发明专利授权5项。

陈霖院士获得2004年求是科技基金会“杰出科学家奖”。王书荣课题组获得2001年中国科学院自然科学一等奖。

（一）二十多年来，就知觉信息基本表达的问题，原创性地提出和系统地发展了大范围首先的拓扑性质初期知觉的创新理论

知觉研究200多年的历史，始终贯穿着“原子论”和“整体论”之争。半个世纪以来原子论占统治地位；近代知觉研究最有影响的理论（包括MIT的Marr的计算理论、UCBerkeley的Treisman的特征整合理论、Bell Labs的Julesz的质地子理论）都持原子论的观点，认为知觉过程是由局部到大范围。

我们提出“拓扑性质初期知觉理论”(Science, 1982)，向半个多世纪以来占统治地位的原子论挑战，明确提出视觉过程是由大范围到局部，这种大范围性质可以用拓扑性质来科学、准确地描述。二十多年来，我们在知觉组织的二十余个课题上开展了大量实验研究，在Science (2003), PNAS (2003)以及其它知觉领域的核心刊物发表了一系列论文。Visual Cognition为拓扑性质初期知觉理论出版了专辑(2005, Vol.12, No.4)。

概括地说，这一系列研究成果把拓扑性质初期知觉理论发展成为了“大范围首先(global-first*)”的“视知觉拓扑结构和功能层次理论”：视觉过程是从大范围拓扑性质的知觉组织开始的；拓扑性质为最基本层次的各个层次的几何不变性质是图形知觉的基本表达，为回答“什么是知觉信息的基本表达”的知觉研究最根本的问题，提供了一个统一、科学描述的理论框架。

近年来十几篇专题评述拓扑性质知觉理论的论文发表在国际学术刊物。国际同行的评价例举如下：Humphreys (Visual Cognition主编)评价出版专辑的目的：“这篇文章是许多年来关于人类知觉信息决定性因素的研究的丰富和重要的总结。我相信，这个工作是对许多当前接受的关于知觉的观点的重大挑战。在这一期杂志中，这篇文章将由这个领域的一些领导人物来评论，使这篇文章产生大的影响。我相信这篇文章将是对将来的开创性的贡献”；Desimone (美国科学院院士)：“近来神经生理学数据提示，陈的模型的确是正确的。陈的大范围到局部知觉拓扑模型??激励神经生理学家对视觉特征分析采取强调物体特征是变换下不变性质的新的研究方向”(Visual Cognition, 2005)；He, S (Minnesota大学副教授)：“陈和他的同事们在过去20多年积累的令人印象深刻的实验证据毫无疑问地动摇了我们现在理解视觉过程的基础”，“（拓扑知觉理论）对我们最终理解视觉的贡献是很难估计过分的”(Visual Cognition, 2005)。

因为“原创性地提出和系统地发展了拓扑性质初期知觉理论”，陈霖获2004年求是科技基金会“杰出科学家奖”。

*最近哈佛大学Wolfe教授称我们的理论为“陈的Global-first”理论。

（二）经十多年的积累,从基因－脑－行为－认知相结合的角度，以果蝇为模式动物,研究基本视觉认知过程的分子细胞和神经整合机制方面取得了重要成果

为了揭示果蝇利用知识应对环境变化的能力，我们开创了果蝇“颜色/图形两难抉择(color/shape dilemma)”的研究。果蝇可以根据颜色和形状线索的“价值(value)”，在两种相互竞争的视觉线索之间，作出“趋利避害”的非线性的“胜方全拿(winner-take-all)”的抉择。这种抉择需要果蝇脑中蘑菇体的参与。表明抉择并不是人或非人灵长类的专利。这在认识论上有助于观念更新，对理解脑的这一智能行为会有所启示。

对视觉线索的抉择还受益于其它感觉信息。跨模态信息的“整合”、“捆绑”、“协同”等，是脑与认知研究的热点问题之一。我们在国际上率先在同一台果蝇飞行模拟器上实现了视、嗅操作条件化的同步实施。发现在双模态共操作条件化之后，视觉和嗅觉的单模态各自都分别生成了有统计意义的记忆。这表明双模态之间不仅实现了“协同共赢”，而且还体现了“互利互惠”。探索多模态记忆协同对我们如何生成概念、达到对客观事务的完整认知、推理、问题求解和“个性与共性”的关系都有重要的认知意义。

视觉不变性识别是高等动物视知觉的基本特性之一，我们同样发现果蝇也具有这种重要的视知觉特性。如将图案纵向移动，使之在以果蝇为中心的坐标系里，出现在一个新的位置上，果蝇仍能认出这一图案，而不会将其视为陌生的图案。我们首次证明了果蝇中心脑区－扇形体结构，参与调节视觉图形识别过程。具体说就是扇形体内的两层水平平行片状结构由两组神经元的末梢分支构成，它们分别具有记忆图形的重心高度信息和记忆图形朝向信息的功能，从而使果蝇有效地识别重心或朝向不同的图形。果蝇利用这种机制，可能衍生出复杂而丰富的图形认知能力。

我们在果蝇的学习记忆、抉择和视觉不变性的一系列重要的原创性发现(Science, 2001, 2004, 2005; Nature, in press)，在探索“智与愚”的神经生物基础的科学活动中具有重要的科学意义，有助于认识生命世界的多样性和统一性，在国际上占有一席之地。

（三）提出了视觉感受野的双核团调控机制，为研究感受野的形成和调控开辟了新的学术思路，并揭示了视觉运动加速度的检测机制。

视觉感受野的组织和功能性质，及其形成和调控的神经机制，是视觉神经科学的前沿研究领域之一。本实验室发现中脑峡核是个视觉中枢，而不是前人假定的听觉中枢，解决了一个长期悬而未决的神经科学问题。进一步研究表明，峡核大细胞部和小细胞部分别向视顶盖发出兴奋性和抑制性投射，且两种投射汇聚到相同的顶盖神经元上，以调控顶盖感受野的中央兴奋区和外周抑制区。据此提出了视觉感受野的双核团调控机制，为研究感受野的形成和调控开辟了新的学术思路。此成果获中国科学院自然科学一等奖，其总结论文被国际脑研究评论(Brain Res Reviews, 2003, 41, 13-25)选作刊物封面论文发表。视觉感受野的一个重要性质是处理运动信息。本实验室发现：视皮层的一些区域和副视觉系统神经元对视觉运动敏感，它们不仅能检测运动方向和速度，还能编码运动加速度；加速度敏感神经元与前庭神经元有若干共同性，表明视觉系统与前庭系统协同工作，以使人和动物能综合多重感觉信息感知自身运动。该成果被认为是“首次揭示了视觉神经元的加速度反应，为大量视觉运动研究增添了崭新而坚固的知识”。

（四）提出了眼睛背腹极性建立调控的新模式，并提示中枢神经系统其它结构极性特征形成可能存在相似的调控机理

视觉神经系统是脊椎动物中枢神经系统的一个重要组成部分，对其发育机制的研究是了解神经系统发育的重要途径。对这一复杂过程的细胞和分子基础的了解将揭示胚胎发育中视觉神经系统结构发生、成熟和衰老的机制和视觉功能（包括信息的接收、传递和处理）建立的基础,并有助于了解各种眼病发生的遗传和环境因素。本实验室已经分离获得了在鹌鹑中枢神经系统广泛表达的qBrain-1和qBrain-2基因，以及在非洲爪蟾大脑和视网膜腹侧表达的Xvax1b和XRALDH3基因，并对眼睛腹侧结构的分子特性以及相关信号通路在其建立中的作用和调控机制系统分析。证明Hedgehog (Hh)、视黄酸(RA)和成纤维细胞生长因子(FGF)信号共同参与眼睛背腹极性的建立，而且不同浓度的RA、Hh和FGFR信号决定眼睛腹侧不同结构（腹侧视网膜和视柄）的分子特性。由此提出了新的眼睛背腹极性建立调控模式，并提示中枢神经系统其它结构极性特征形成可能存在相似的调控机理，从而为相关进一步研究提供了重要线索。这些工作在Development, Mech Develop等国际发育生物学领域重要期刊上发表，其中发表于Development (2005, 132, 1737-1748)的代表性论文被国际各领域专家组织的文献推荐电子刊物Faculty of 1000列为发育生物学领域“新发现(new finding)”中“必读(must read)”文章。