5月15日下午，來自荷蘭Donders Institute的Floris de Lange教授，應北京大學IDG麥戈文腦研究所PI、北京大學心理與認知科學學院羅歡研究員的邀請，在北京大學王克楨樓1113會議室為大家?guī)砹艘粓鲱}為“How is perception biased”的學術報告。

Floris de Lange教授主要研究大腦如何利用先驗的知識經(jīng)驗對輸入進行主動預測，從而幫助我們知覺外部世界，做出決策。他主要從三方面對預測性大腦研究成果進行介紹：

第一，大腦是否會自發(fā)地對外部世界進行預測，進而產(chǎn)生虛擬的（物理刺激并不存在）相應的神經(jīng)活動模式？

第二，如果大腦能自發(fā)地產(chǎn)生這些虛擬的信號，大腦如何區(qū)分這些虛擬的信號與實際輸入的感知覺信號？

第三，預測的信號與現(xiàn)實世界中的物理信號如何相互作用，預測如何幫助人們知覺外部世界？

已有研究發(fā)現(xiàn)在讓老鼠學習了空間位置序列后，僅僅呈現(xiàn)起始位置，老鼠的初級視覺皮層就會對之后的空間位置進行順序激活，類似一種預測性重演（preplay）(Xu, et al., Nature Neuroscience, 2012)。

由此研究者采用功能磁共振技術探究人的視覺皮層是否也能夠發(fā)現(xiàn)這種preplay的反應模式。研究者首先依據(jù)初級視覺皮層存在著一個拓撲地圖這一性質(zhì)找到了對某個特定空間位置反應的voxel，并采用高時間分辨率的磁共振技術記錄了腦活動。

在實驗中，首先讓被試熟悉一個空間位置序列，然后短暫呈現(xiàn)這個空間位置序列的起始位置或者結束位置，觀察這兩種情況下大腦的反應模式。結果如下圖所示，當只呈現(xiàn)起始位置時，大腦對于接下來的幾個空間位置的響應也會依次自動地激活（中間圖）。但是當只呈現(xiàn)結束位置時，只能看到對結束位置有著明顯的激活（右邊圖）。

并且該預測性重演腦活動并不依賴于注意的參與，無論被試注意這些位置或不注意這些位置時都依然存在。這一結果表明大腦不斷地主動預測外界刺激，產(chǎn)生虛擬的神經(jīng)活動。

在此基礎上，研究者繼續(xù)探討了這種preplay是否受概率信息所調(diào)控。在新的研究中，被試被要求熟悉上下走向的兩個空間位置序列，這兩個位置序列的起始位置是相同的。

同時這兩種位置序列分別和兩個聲音提示（聲音提示先于起始位置出現(xiàn)）建立了不同概率的聯(lián)系。在熟悉這兩個空間位置序列以及聲音提示和他們的關系之后，研究者只呈現(xiàn)了起始位置以及其中一個聲音提示。

結果發(fā)現(xiàn)被試有效地利用了聲音提示的有效性，即當起始位置和高音提示（提示有80%的概率是上位置序列的聲音）出現(xiàn)的時候，被試會對上位置序列有著更明顯的preplay，而對下位置序列的replay就會弱很多，反之亦然。

接下來研究者試圖回答第二個問題，為什么大腦不會將這些虛擬的信號與真實的刺激信號混淆，這兩種信號是如何被區(qū)分出來的？正如下圖模型所示（Lawrence et al., NeuroImage, 2017），感覺信息自下而上地傳遞給上一級的中間層和底層，而自上而下的信息則主要反饋到下一級的表層和底層神經(jīng)元。

因此一個可能的假設是皮層的中間層能夠區(qū)別該神經(jīng)響應反映的是虛擬信號還是物理輸入信號。相較于用分類器來分離出大腦對不同刺激的反應模式，研究者用了一種更簡單的方法，他們通過找到對某一特定刺激有偏好（prefer）的voxel來建立感興趣區(qū) (Albers, et al., NeuroImage, 2017)。

結果發(fā)現(xiàn)在工作記憶的保持階段（沒有刺激輸入，被試需要回憶被提示的刺激），在V1, V2, V3對該刺激有偏好的voxel的活動顯著高于和沒有偏好的voxel的活動（偏好效應）。更重要的是在V1發(fā)現(xiàn)了層級的差異，即表層和底層神經(jīng)元的偏好效應都顯著高于中間層。這一結果表明不同的層的響應能夠區(qū)別“現(xiàn)實”和“想象”。

最后，研究者探究這些預測是如何幫助我們知覺外部世界的。結果發(fā)現(xiàn)，相較于無法預測接下來出現(xiàn)的刺激的條件，當接下來出現(xiàn)的刺激可以被預測時，包括V1，LOC（對客體具有選擇性）在內(nèi)的很多腦區(qū)的活動都被抑制了。進一步對每個voxel在各個刺激上的偏好性進行排序。結果發(fā)現(xiàn)LOC區(qū)對的越偏好的刺激產(chǎn)生越強的抑制。V1區(qū)的抑制則表現(xiàn)出不受偏好性強度的影響。

研究者進一步做了一個腦磁圖實驗來探索預測性神經(jīng)活動的時間特性，結果發(fā)現(xiàn)可以被預測的圖片相較于不能被預測的圖片誘發(fā)了更小的響應。更有意思的是，可以被預測的圖片誘發(fā)的響應顯示出時間上更為銳化的效果（sharpening）。該研究提示對于具有高預測性的輸入，大腦在時間上加工也更快。

總結來說，大腦能夠自發(fā)預測接下來出現(xiàn)的刺激，虛擬出這些刺激出現(xiàn)的活動信號。這些虛擬的信號不會和真實輸入的感知覺信號相混淆，因為感知覺信號是自下而上的信息輸入，而虛擬的信號是自上而下進行反饋，由不同神經(jīng)網(wǎng)絡所傳遞。這種主動預測能力能夠降低被預測刺激的神經(jīng)活動的能量與持續(xù)時間，進而有效提高對外界刺激的加工和感知。