Top-down知觉加工下的视觉传导特征

周爱保，岳红云,2，刘显翠，张 奋

0引言

人类的视知觉状态及效率往往反映了认知过程参与生理功能的主要特征。知觉的上行通路与下行通路对视觉认知的最终结果的影响存在显著差异[1]。概念驱动(concept-driven)的视觉加工包含了个体的搜寻愿望及视觉期待，自我面孔的唯一性决定了个体对其关注水平高于一般注视目标，并且产生相对的生理、记忆、情绪、再认等认知心理反射[2]。

经典视觉研究专注于自下而上(Bottom-up)过程，试图应用动物模型及计算机技术进行视觉特征研究[3-4]，然而，即使完全由Bottom-up完成的视觉过程，由于认知特征差异，视觉期待形成的关注(attention)仍旧可能改变视知觉结论[5]。大脑皮质的功能分区及皮质功能分区细化和事件相关电位(event-related potentials，ERP)研究证实，Bottom-up视觉过程中早期视皮质的功能启动对于视觉结论具有重要意义[6-9]。从认知角度而言，自上而下(Top-down)和Bottom-up二者在视觉产生过程中的协同作用及彼此调制控制特征[10-11]决定了视觉结局与视觉期待之间的相互关系。与数据驱动的视觉加工过程中应用的刺激图形不同，Top-down知觉通路属于有认知意义的概念刺激，而前者属于无需解释的数据刺激，因此可以依据二者引发的视觉诱发电位，判断Top-down通路激活与单纯Bottom-up通路传导下的视觉诱发电位特征差异[12-15]。本研究针对儿童的年龄特点呈现的自我认知特征，在检测概念驱动视觉过程特征时，运用自我视觉期待，激活Top-down知觉通路，研究Top-down知觉通路参与下，图形视觉诱发电位(pattern visual evoked potential，PVEP)提示的视觉传导效率及其特征。

1对象和方法

1.1对象选取2020-01/06于我院门诊进行健康查体的儿童志愿者26名，其中男13名，女13名，平均年龄10.12±0.27岁，右利手，韦克斯勒儿童智力量表(WISC)测量IQ正常，视力20/20(ETDRS视力表)。排除PVEP测量过程中有效重复波形低于95%的受检者。本研究作为儿童相关的临床试验已经过我院医学伦理委员会审查(审批号：LCSYLL20200612)。所有研究对象及其监护人均对本研究知情同意，并均由其监护人签署知情同意书。

1.2方法

1.2.1视觉通路设计Top-down刺激视觉注视点：拍摄儿童的颜面部照片，应用图像处理软件将图片处理为黑白素描图形，能够清晰分辨儿童。Bottom-up刺激视觉注视点：儿童的颜面部照片素描处理后数码化为不同亮度黑白数码图形，使不能分辨为儿童(图1)。

1.2.2操作过程

1.2.2.1建立儿童Top-down知觉刺激材料研究开始前，于自然光诊室(照度120～150Lx)设置白色无反光背景墙，采用佳能照相机(型号：IXUS115 HS；参数：有效像素1 210万，光学变焦4倍，焦距24～120mm)为儿童拍照3次。儿童注视3min比较图片后，选择满意图片1张，打印为14mm透明背景照片，贴附照片于常规视标位置。同时，建立Bottom-up程序的指导语(“请注视红色方格图形”)和Top-down程序的指导语[“请注视***(儿童名字)”]。

1.2.2.2 PVEP检查所有研究对象均选取右眼为观察眼，采用罗兰视觉电生理系统进行PVEP检查。参数设置：(1)低频空间刺激：黑白翻转正方形边长14mm，翻转频率14Hz；(2)高频空间刺激：黑白翻转正方形边长7mm，翻转频率14Hz。检测指标：N75潜时、P100峰值时间、P100波幅、P100复极化时间。

统计学分析：采用SPSS 20.0统计学软件进行统计学分析。计量资料采用均数±标准差表示，采用2(视觉诱发电位刺激参数：高频空间刺激、低频空间刺激)×2(知觉途径：Top-down、Bottom-up)交叉设计资料的重复测量方差分析进行数据分析。P<0.05为差异具有统计学意义。

图1 Top-down和Bottom-up视觉刺激图形示例 A：Top-down刺激(儿童素描像)；B：Bottom-up刺激(儿童数码像)。

表1 不同视知觉加工路径下不同空间频率对N75潜时的影响

表2 不同视知觉加工路径下不同空间频率对P100峰值时间的影响

2结果

2.1不同视知觉加工路径下不同空间频率刺激反应N75潜时的差异视知觉加工路径的主效应不显著[F(1，25)=0.639，P=0.432，η2=0.025)]，空间频率主效应显著[F(1，25)=5.240，P=0.031，η2=0.173]，视知觉加工路径与空间频率的交互作用不显著[F(1，25)=1.658，P=0.210，η2=0.062]，表明不同视知觉加工路径对N75潜时无显著影响，表现为Top-down与Bottom-up条件下无显著差异，而不同空间频率对N75潜时具有显著影响。同时，视知觉加工路径与空间频率二者之间的交互作用不显著，表明N75潜时主要与空间频率相关，即空间频率高的情况下，Top-down能够显著缩短N75潜时，但是与单纯空间频率对N75潜时影响水平相比，低频空间频率条件下N75更快出现(表1)。

2.2不同视知觉加工路径下不同空间频率刺激反应P100峰值时间的差异视知觉加工路径的主效应不显著[F(1，25)=1.313，P=0.263，η2=0.050]，空间频率主效应也不显著[F(1，25)=3.044，P=0.093，η2=0.109]，而视知觉加工路径与空间频率的交互作用则呈现显著影响[F(1，25)=28.349，P<0.001，η2=0.531]，表现为在Top-down条件下，高频空间刺激对P100影响为P100波峰值出现时间显著缩短(表2)。

2.3不同视知觉加工路径下不同空间频率刺激反应P100波幅的差异视知觉加工路径的主效应显著[F(1，25)=27.333，P<0.001，η2=0.521]，空间频率主效应显著[F(1，25)=6.919，P=0.014，η2=0.217]，而视知觉加工路径与空间频率的交互作用不显著[F(1，25)=0.021，P=0.887，η2=0.001]，表现为在Top-down条件下，高频空间刺激与低频空间刺激对P100影响均表现为P100波幅显著提高，且高频空间与低频空间频率影响水平大致相当，而空间频率主效应影响对于P100波幅的影响主要表现为高频空间产生了更高P100波幅，但其影响水平小于知觉途径的影响(表3)。

表3 不同视知觉加工路径下不同空间频率对P100波幅的影响

表4 不同视知觉加工路径下不同空间频率对P100复极化时间的影响

2.4不同视知觉加工路径下不同空间频率刺激反应P100复极化时间差异视知觉加工路径的主效应显著[F(1，25)=8.806，P=0.007，η2=0.260]，空间频率主效应显著[F(1，25)=21.148，P<0.001，η2=0.458]，而视知觉加工路径与空间频率的交互作用不显著[F(1，25)=2.468，P=0.129，η2=0.090]，表现为在Top-down条件下，高频空间刺激与低频空间刺激对P100复极化时间的影响均表现为时值显著减少，但Top-down对高频空间与低频空间频率影响水平大致相当(表4)。

3讨论

低频空间刺激下，N75成分的视觉传导特征表现为知觉通路对于PVEP的影响并不比空间频率的影响显著，提示当刺激位置与黄斑中心凹视锥细胞参与数目有关时，高频空间由于分辨率更高，需要更加精细视觉的黄斑区视锥细胞参与，其与神经纤维的一对一相联系，分辨精细视觉，精细视觉的多皮质参与特征可能使得其受到Top-down的影响机会变小。Top-down参与下的Bottom-up传导过程提高了视觉传导效率，视觉传导细胞表现为去极化时间显著缩短，先验知识和视觉期待能够提高视觉行为的主动性和视觉行为的效率。Top-down参与下低频空间与高频空间刺激均显示P100波幅显著高于单纯Bottom-up刺激产生的P100波幅。由于视觉细胞的动作电位表现为全或无特征，因此当整体波幅提高时，可以初步得出结论，在Top-down参与下，动员了更多视觉细胞参与视觉活动。故认为Top-down能够提高视觉行为的兴奋神经元数量，提高视觉传导总能量。高频刺激产生的P100复极化时间明显缩短，而低频刺激产生的P100复极化时间较长，但二者较单纯Bottom-up产生的P100复极化时间均显著缩短。分析可能是由于Top-down参与下的认知过程显著延长，此处尚有生理性解剖结构不能解释的视觉过程。

Top-down知觉通路参与下，视觉传导效率及速率均高于单纯Bottom-up视觉过程，因为Bottom-up过程并非单纯无下行视觉支配系统参与的完全低级中枢活动(无反射参与)，在无显著Top-down知觉参与的视觉传导过程中，可将其简要认为是视觉及视觉传导神经元的对外界环境反应的基础活动。Top-down知觉过程主要表现为对视知觉活动的精细过程参与水平更高，提高视知觉过程中神经元激活数量，从而在视觉刺激图形要求的高分辨率环境中，得到更多的生理基础资源，与现有文献研究结论一致[16-17]。本研究从视觉发展的角度考量，研究结论与视觉的进化结果一致，即个体面临复杂而精细的自我相关视觉对象时，能够更大程度调动神经元参与视觉过程。