視覺變換的基因分析
圖片來自snapoholic.com
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人類對自身眼睛所看見事物這一基本生物活動的機理的認識，還停留在一個起步階段。
這張圖，你看到的是一個花瓶、還是兩張人的側臉？
仔細觀察它一段時間，你會發(fā)現(xiàn)，有的時候看到的是白色花瓶，有的時候又是黑色的兩張人臉，而且隨著時間推移，似乎看到的圖像會在花瓶和人臉之間來回自動切換，但是，在任一特定時刻，你只能看到花瓶或人臉中的一種。
這一變換不是圖像的問題，而且也不是你眼睛的問題：眼睛的視網(wǎng)膜接收到的物理刺激是恒定不變的。
那么，變換在哪里？在你的大腦里。變換不定的是我們大腦中的知覺的圖像。
這一獨特而有趣的視覺認知現(xiàn)象稱為視知覺雙穩(wěn)態(tài)，有名的知覺雙穩(wěn)態(tài)例子除了前面的人臉花瓶外，還有Necker立方體：由于缺乏深度信息，該立方體既可以被看作左圖朝左上方凸出，也能視為右圖向右下方凸出。
而當雙眼分別呈現(xiàn)不同的圖像刺激時，大腦知覺到的圖像在一只眼的影像停留幾秒鐘后又會被另一只眼的影像所取代，往復交替，兩只眼睛均力爭使自己接收到的圖像刺激在大腦的知覺中占主導地位，這一現(xiàn)象被形象地稱為“雙眼競爭”。
視知覺雙穩(wěn)態(tài)現(xiàn)象在1832就被研究者Necker以Necker立方體為例展開了科學、系統(tǒng)地描述(1)。1838年，另一位研究者Charles Wheatstone則利用自制的立體鏡首次系統(tǒng)地研究了視知覺競爭的另一分支——雙眼競爭(2)。
知覺競爭可以被大腦自上而下地主觀控制(3,4)。人類知覺切換速率的快慢和主觀控制能力的強弱存在巨大的個體間差異。一些精神疾?。ㄈ珉p向情感障礙、自閉癥）的患者會表現(xiàn)出與常人不同的知覺競爭模式(5-9)，表現(xiàn)在知覺切換速率快慢、在每個知覺狀態(tài)下停留的時間長短等方面，因此，研究知覺競爭的生物學基礎可能有助于我們尋找這些特定精神疾病的生物學標記(10)。對人類視知覺競爭及其主觀調控的認知科學研究，一直以來都依賴于心理學行為實驗和包括腦電圖、腦磁圖、腦核磁共振成像等在內的腦成像研究(11-13)，鮮少涉及遺傳學方面的探索。
最近，北京大學饒毅實驗室和方方實驗室的陳碧清、朱子建、娜仁等人，對近3400人的中國漢族大學生群體的知覺切換行為和大腦的主觀調控進行了系統(tǒng)研究，他們選取了經(jīng)典的Necker立方體和基于紅藍立體眼鏡的雙眼競爭兩種視知覺競爭的實驗范式，并探究了Necker立方體的知覺切換速率受大腦自上而下主觀調控的影響。通過分析這些被試的行為和基因組數(shù)據(jù)，他們發(fā)現(xiàn)個體的自發(fā)知覺切換速率具有約25%的遺傳力，為將知覺切換速率作為潛在的精神疾病生物標記奠定了遺傳基礎。接著，研究人員在2441人的大樣本中從多個水平進行全基因組關聯(lián)分析，并用943人的樣本進行驗證，挖掘出PRMT1、OR11A1、OR1L6等基因與自發(fā)知覺切換速率相關，單核苷酸多態(tài)性位點rs184765639、rs75595941、基因MIR1178等則與主觀調控強度有關聯(lián)(14)。
進一步的大腦核磁共振結構成像實驗揭示，rs184765639的不同基因型個體的左側尾部中額葉的皮質表面積存在差異。耐人尋味的是，雖然雙眼競爭和Necker立方體兩者之間存在少量共有的關聯(lián)基因和相關信號通路，但是從行為和遺傳兩個角度一致性地發(fā)現(xiàn)，視知覺競爭的不同范式之間的相關性并不高（相關系數(shù)不到0.3），意味著不同知覺競爭范式存在不完全相同的生物學機制。
該文題為Genomic analyses of visualcognition: perceptual rivalry and top-down control，2018年9月21日在線發(fā)表于Journal of Neuroscience（《神經(jīng)科學雜志》）。饒毅實驗室和方方實驗室在利用基因組學研究方法來探索人類的視覺認知行為的生物基礎方面開展合作，這是他們第一篇合作論文，結合了饒毅實驗室的遺傳分析特長和方方實驗室的視覺認知特長。合作單位為重慶醫(yī)科大學。
饒毅實驗室研究人類認知行為的分子基礎，這篇視知覺競爭的全基因組關聯(lián)研究是饒毅實驗室發(fā)表的第四篇關于人類認知的研究、第三篇人類認知遺傳分析的文章。其中發(fā)表的第一篇為2016年朱子建等在Cognition（《認知》）雜志上有關人類記憶干擾與再鞏固機制的論文(15)，饒毅與心理系吳艷紅教授為共同通訊作者；第二篇為2018年陳碧清等在Journal of Human Genetics（《人類遺傳學雜志》）發(fā)表的人類從眾行為的全基因關聯(lián)分析研究(16)，通訊作者為饒毅；第三篇為2018年朱子建、陳碧清等發(fā)表于European Journal of Human Genetics（《歐洲人類遺傳學雜志》）的人類記憶的全基因組關聯(lián)分析研究(17)，通訊作者為博士畢業(yè)研究生朱子建和陳碧清。2018年最新這篇《神經(jīng)科學雜志》論文的通訊作者為北京大學麥戈文腦研究所的饒毅和方方兩位教授，饒毅實驗室的博士畢業(yè)生陳碧清和朱子建、方方實驗室的博士畢業(yè)生娜仁為共同第一作者。
參考資料
1. Necker LA(1832) Observations on some remarkable optical phaenomena seen in Switzerland;and on an optical phaenomenon which occurs on viewing a figure of a crystal orgeometrical solid. LXI. The London and Edinburgh Philosophical Magazine andJournal of Science.
2. Wheatstone C (1838) On some remarkable, and hitherto unobserved, phenomenaof binocular vision. Philos Trans 128: 371–394.
3. KornmeierJ, Hein CM, Bach M (2009) Multistable perception: when bottom-up and top-downcoincide. Brain Cogn 69:138-147.
4. ScocchiaL, Valsecchi M, Triesch J (2014) Top-down influences on ambiguous perception:The role of stable and transient states of the observer. Front Hum Neurosci8:979.
5. NagamineM, Yoshino A, Miyazaki M, Takahashi Y, Nomura S (2009) Difference in binocularrivalry rate between patients with bipolar I and bipolar II disorders.BipolarDisorders 11:539-546.
6. Wimmer MC,Doherty MJ (2010) Children with autism’s perception and understanding ofambiguous figures: Evidence for pictorial metarepresentation, a research note. BrJ Dev Psychol 28:627-641.
7. Allen ML,Chambers A (2011) Implicit and explicit understanding of ambiguous figures by adolescentswith autism spectrum disorder. Autism 15:457-472.
8. Vierck E,Porter RJ, Luty SE, Moor S, Crowe MT, Carter JD, Inder ML, Joyce PR (2013)Further evidence for slow binocular rivalry rate as a trait marker for bipolardisorder.Aust N Z J Psychiatry 47:371-379.
9. RobertsonCE, Kravitz DJ, Freyberg J, Baron-cohen S, Baker CI (2013) Slower rate ofbinocular rivalry in autism. J Neurosci 33:16983-16991.
10. Ngo TT,Mitchell PB, Martin NG, Miller SM (2011) Psychiatric and genetic studies ofbinocular rivalry: an endophenotype for bipolar disorder? ActaNeuropsychiatr 23:37-42.
11. Pitts MA,Gavin WJ, Nerger JL (2008) Early top-down influences on bistable perceptionrevealed by event-related potentials. Brain Cogn 67:11-24.
12. ParkkonenL, Andersson J, Hamalainen MS, Hari R (2008) Early visual brain areas reflectthe percept of an ambiguous scene. Proc Natl Acad Sci USA105:20500-20504.
13. WatanabeT, Masuda N, Megumi F, Kanai R, Rees G (2014) Energy landscape and dynamics ofbrain activity during human bistable perception. Nat Commun 5:4765.
14. Zhu ZJ, Wang YY, Cao ZJ, Chen BQ, Cai HQ, Wu YH, Rao Y (2016).Cue-independent memory impairment by reactivation-coupled interference in humandeclarative memory.Cognition155:125-134.
15. Chen BQ, Zhu ZJ, Wang YY, Ding XH, Guo XB,He MG, Fang W, Zhou SB, Zhou Q, Huang AL,Chen TM, Ni DS, Gu YP, Liu JN, LeiH, Rao Y (2018). Nature vs. nurture in human sociality: multi-levelgenomic analyses of social conformity. J Hum Genet 63:605-619.
16. Zhu ZJ, Chen BQ, Yan HM, Fang W, Zhou Q, Zhou SB, Lei H, Huang AL, ChenTM, Gao TM, Chen L, Chen JY, Ni DS, Gu YP, Liu JN, Zhang WX, Rao Y (2018).Multi-level genomic analyses suggest new genetic variants involved in humanmemory. Eur J Hum Genetpublished online July 3rd, 2018.
17. Chen BQ, Zhu ZJ, Na R, Fang W, Zhang WX, Zhou Q, Zhou SB, LeiH, Huang AL, Chen TM, Ni DS, Gu YP, Liu JN, Fang F, Rao Y (2018). Genomic analyses of visual cognition:perceptual rivalry and top-down control. J Neurosci publishedonline, September 21, 2018
(http://www.jneurosci.org/content/early/2018/09/21/JNEUROSCI.1970-17.2018)
文章來源：公眾號“饒議科學”
