课题申报书-特征捆绑和不变性知觉的脑认知功能成像.doc

项目名称：特征捆绑和不变性知觉的脑认知功能成像首席科学家：陈霖 中国科学院生物物理研究所起止年限：2005-12-1依托部门：中国科学院 一、研究内容本申请的研究内容概括成如下的“P3”计划：“P3”计划组织一个共同的研究计划 (Project)：集中研究当代认知科学的前沿难题 “特征捆绑问题”建设一个共同的实验环境平台(Platform)：以功能磁共振成像为核心的认知科学实验环境创立一个新的原则(Principle)（或新的学说）：“大范围首先”（Global-first）学说正如上述“P3”计划所概括的，本申请的题目“特征捆绑问题和不变性知觉的脑认知功能成像研究”包括三重含义：（1）“特征捆绑问题”是要集中研究的科学问题；（2）“不变性知觉”是解决特征捆绑这个重大难题的“新概念”；（3）“脑功认知能成像”是解决特征捆绑难题的、发展“大范围首先”不变性知觉理论的“新技术”。 “P3”计划的主要具体研究内容如下。P1. 共同的研究计划（Project）：集中研究当代认知科学的前沿难题 “特征捆绑问题”。我们将从不变性知觉的角度在不同认知层次、不同实验对象、不同实验方法开展高度跨学科、范围广泛的特征捆绑和知觉组织的研究。(一) 视知觉组织以及相关其它认知层次的不变性知觉的行为实验研究和脑认知功能成像。（二）中文阅读障碍的视觉和选择性注意失调的脑功能成像研究。（三）灵长类动物（猴）的不变性知觉的电生理和组织解剖学研究。（四）利用高密度电极阵列的特征捆绑和不变性知觉的神经机制研究。（五）视觉不变性的脑结构基础与相关基因的研究。P2. 共同的实验环境平台（Platform）：建设一个以3T功能磁共振成象为核心的认知科学实验环境。为了实现创立一个新的原则的科学目标，特别是要使这个“整体首先”的知觉理论具有生物学的约束，我们必须建设一个以3T功能磁共振成象为核心的认知科学实验环境平台。本项目中将集中在两个方面:（1）功能磁共振成像方法和其它各种成像方法，包括脑磁图、脑电图、穿头颅磁场刺激、光成像和“高密度电极阵列”，的结合；（2）建设一个脑功能成像的实验数据共享及后处理软件平台和以“特征捆绑问题”为专题的人脑认知功能图谱专业知识库。P3. 创立一个新的原则（Principle）：“大范围首先”学说通过“P1”和“P2”计划，创立“大范围首先”学说,其内涵是: 从“视觉过程是从哪里开始的”这个最基本的问题来分析，特别是从初期整体知觉的观点来看，特征捆绑问题是一个错误的、头足倒立的问题，强调初期整体知觉的“知觉组织”的研究将把这个颠倒的问题再颠倒回来；针对特征捆绑问题，从不变性知觉的角度对知觉组织特别是初期整体知觉以科学的描述，包括“大范围和局部”关系的科学系统的定义、大范围不变性知觉“首先”的生物学证据的约束。二、预期目标总体目标解决特征捆绑问题这个知觉领域的七大难题之一，创立和发展在认知科学基础理论问题上作出原创性重大贡献的“大范围首先的”不变性知觉的系统理论。五年预期目标“10+1”目标:10篇以上国际顶尖级杂志论文和1本专著五年内，在发表一批（10篇以上）国际顶尖级杂志论文的同时，特别强调把发表1本专著作为创立“整体首先”新原则理论的标志性目标。这本专著题目暂定为“Feature Binding and Perceptual Organization: A Global-first Approach”。完成这个五年目标还包括建设一个以3T功能磁共振成象为核心的认知科学实验环境。五年内完成（1）功能磁共振成像方法和其它各种成像方法（包括脑磁图、脑电图、穿头颅磁场刺激、光成像）的结合；（2）建设一个脑功能成像的实验数据共享及后处理软件平台和以“特征捆绑问题”为专题的人脑认知功能图谱专业知识库。通过本项目锻炼形成一支瞄准世界认知科学前沿、大跨度交叉学科的、有能力做出世界一流创新成果的优秀人才攻坚团队。通过本项目推动计算机科学和人工智能领域的特征捆绑问题的研究，包括并行分布的知识表达、基于不变性计算的计算机视觉模型。通过本项目推动对大脑的心理和生理疾病（特别是视觉系统损伤、老年病的视觉系统表现、阅读障碍症）机制的研究。三、研究方案1、实现项目五年预期目标的总体研究思路和项目研究的技术路线及可行性。特征捆绑问题 一个头足倒立的问题为什么特征捆绑这样一个看来直接了当的问题如此困难？这样的看似简单却实质困难的难题提醒我们，这样的困难可能不是技术性的困难，我们应当追溯到引起特征捆绑问题的初期特征分析的最初假设，在初期特征分析的根本思路上有突破。我们认为，从“视觉过程是从哪里开始的”这个最基本的问题来分析，特别是从初期整体知觉的观点来看，特征捆绑问题产生于初期特征分析思路的特定的假设：因为认为各种特征性质在视觉过程的初期被分离抽提开来，因此才会产生必须反回来把它们捆绑到一起的问题。特征捆绑的问题本身可能是一个提法不当的问题，不仅是一个开头开错了的问题，简直就是一个头脚倒立的问题。要解决特征捆绑问题的困难，我们必须回到问题的最初出发点，重新思考“什么是知觉信息的基本表达”这个最基本的问题，特别注重对这个问题的另一种可能的回答，即初期整体知觉思路的回答。在回答“视知觉过程是从哪里开始的”的问题上，视知觉的所有理论划分成两条基本路线：初期特征分析 由局部性质到大范围性质。“初期特征分析”的思路认为，知觉过程是“由局部性质到大范围性质”，知觉过程开始于把被知觉的物体分离成可分解的简单性质和组成部份，随后的知觉过程才在这些分解开来的特征性质的基础上识别出整个的物体。Marr为首的MIT的视觉的计算理论学派就是初期特征分析理论路线的典型代表，它的框架是建立在视知觉过程开始于计算最初阶段的表达“基本表达图”的假设之上，基本表达图被看成是图形的简单部分及其局部几何性质，例如一定朝向的线段。初期整体知觉 由大范围性质到局部性质。与此完全相反，“初期整体知觉”的思路却认为，知觉过程是“由大范围性质到局部性质”，在对物体的性质或组成部份进行知觉的分析之前，视觉系统首先取得的是物体的整体性的知觉；只是在随后的阶段，如果需要的话，视觉系统才知觉物体的细节性质。格式塔心理学是这种初期整体知觉思路的代表学说。大家熟知的格式塔心理学的信条是“整体不是部分的简单的和”。特征捆绑和知觉组织：大范围和局部的关系问题。让我们进一步来分析特征捆绑的心理学含义，涉及什么样的知觉过程和功能。跟“知觉组织”（perceptual organization）的概念一样，特征捆绑，即 把分别知觉到的各种分离的特征的表达结合在一起形成整个物体的表达，也涉及到图形和背景分离、图象分割、分组（grouping）、伴随出现（what goes with what）、相属关系(belongingness）等概念的研究。在这样的意义下，“特征捆绑”和“知觉组织”研究的是同样的问题，是类似的概念。在现代视知觉的研究中，初期特征分析的思路似乎取得了很大的成功，使人困惑的“整体性知觉”的难题似乎早已由初期特征分析的思路解决了。然而发人深省的是, 特征捆绑问题被提出，并成为当前认知科学的前沿中心问题，这样的事实告诉我们，知觉组织的概念所意味的整体性知觉的难题，既没有被解决，也没有被绕过去，问题仍然存在在那里！经过了半个多世纪的初期特征分析思路的努力，我们在“知觉过程是从那里开始的”的根本问题上并没有取得突破。特征捆绑问题面临的深刻困难表明，知觉组织所意味的知觉整体性的问题仍然是理解视知觉不能不考虑的难题。知觉组织 把颠倒的特征捆绑问题再颠倒回来虽然看起来“特征捆绑”和“知觉组织”研究的是类似的问题。但是从“知觉过程从哪里开始的”的最基本的问题来看，“知觉组织”起源于格式塔心理学，代表了格式塔心理学强调初期整体知觉的核心思想。“特征捆绑问题”却根源于初期特征分析的假设，是初期特征分析思路的新表述。因此就“知觉过程从哪里开始的”的问题来看，“特征捆绑”和“知觉组织”是完全不同的概念。“视觉过程从哪里开始的”问题的重新思考使我们认为，根源于初期整体知觉思路的格式塔心理学的概念“知觉组织”，提出了对“特征捆绑问题”的另一种基本出发点不同的分析。“知觉组织”研究的初期整体知觉的本质和规律，可能对特征捆绑的问题提供恰当的解决，把这个颠倒的问题再颠倒回来。大范围首先学说 如何建立知觉组织的科学系统描述“知觉组织”思想具有深刻和合理的内核 初期整体知觉，但是根源于格式塔心理学的知觉组织的概念有其自身的问题。就象其它格式塔心理学的概念一样，知觉组织的概念缺乏科学准确的描述。格式塔心理学的各种理论解释主要是依据含糊不清和难于定义的直觉的或心理作用的概念，不可避免地带有循环论的色彩。由于格式塔概念缺乏准确科学的描述，它的又一个必然的弱点是，很难设计充分对照的科学实验。格式塔心理学的知觉组织的各种规律，基本上只是一些现象反应的罗列，而不是建立在严格实验基础上的规律。这样的理论和实验两方面的弱点使得格式塔理论似乎够不上现代科学的标准，因而落在现代心理科学发展的主流之外。格式塔思想的这些弱点妨碍了其合理内核 初期整体知觉 的发展。格式塔心理学缺乏科学性的弱点造成的不仅是它本身发展的严重障碍，更使人遗憾的是，造成了对“知觉过程从哪里开始的”这个最基本问题认识的长期混淆。特征捆绑问题就是这种混淆的一个典型。要克服格式塔理论的这些要害弱点，关键是要对知觉组织提出超越直觉的科学准确的描述。建立知觉组织的科学描述面临着各种挑战。知觉组织的概念反映了一个最一般的事实，即我们知觉到的世界是由各种相互分离又自成整体的各种东西组成的。知觉组织的现象是太普通、太一般了，无处不在，无时不在，乃至人们常常认识不到知觉组织是我们知觉系统的一种功能，是需要解释的现象。由于还原论的影响，在现代认知科学研究中局部分析的倾向常常重于整体综合的倾向。一个典型的例子是，大量的研究集中到如何知觉某条线段的朝向，却很少有人注意到研究一个更一般的问题，即一条线段如何被知觉成一个单个整体的物体。这类非常一般的问题或者被忽视了，或者被认为是无关紧要乃至奇怪的问题。另一方面的挑战是：要使得知觉组织的理论具有解释的力量，其赖以建立的基本概念必须比知觉组织的有关概念（诸如“大范围和局部”、“知觉物体”、“图形和背景分离”、“图象分割”、“分组”、“伴随出现”、“相属关系”等）更基本、更一般、更抽象。这些知觉组织的有关概念已经是非常基本、非常一般的概念了。究竟什么样的概念更基本、更一般，也更准确、更本质，适合知觉组织的科学理论的要求呢？大范围首先学说 知觉组织是变换下的不变性的知觉拓扑性质初期知觉理论的一个核心思想是，知觉组织应当从变换和变换下的不变性的知觉来理解。知觉组织的有关概念，诸如 “大范围和局部”、“图形和背景分离”、“图象分割”、“分组”、“相属关系”等，可能表明上看起来是静态的概念，但是这类概念只有从变换下的不变性的角度才能给予科学准确的定义。比较起把一个具体的东西跟另一个具体的东西区别开来的特征性质，知觉组织涉及到的性质总是具有整体性的本质。通常用来描述各种特征性质的数学概念，即便象“距离”或“测度”这样的看起来非常基本的数学概念，并不适合科学地描述知觉组织的核心思想 知觉整体性。比如，“分组”（grouping）这个知觉组织的规律，就不取决于诸如距离、朝向、长度等具体的几何性质。一个简单而具有代表性的现象是，我们可以把连接两点的线段作任意变形，改变粗细，改变长度乃至改变形状。但是，只要这两个点是由某种形状的曲线在空间上连接在一起的，它们就会形成是一个整体的知觉。这样的无处不在、无时不在的非常一般的知觉组织现象的分析告诉我们，知觉组织的整体性应当从变化下保持不变的不变性质来理解，知觉组织的整体性本质上是对不变性质的知觉。描述知觉组织的科学概念必须是高度抽象和高度一般的概念，必须是在通常的特征性质改变时保持不变的不变性质。那么随之而来的根本问题是，什么样的数学分支，它不属于以距离为基础的任何数学分支，却适合于知觉组织的描述呢？也就是什么样的数学适合于准确地描述各种变换（特别是形状改变的变换）和变换下的不变性质？我们认为，被形象地称为“橡皮薄膜的几何学”的拓扑学是知觉组织的恰当的数学描述。拓扑变换对形状改变的变化提供了形式描述，拓扑性质正是在这种形状改变的变化下的不变性质的形式定义。我们提出拓扑性质初期知觉理论，对近代知觉研究中占统治地位的“由局部性质到大范围性质”理论路线提出挑战，强调知觉过程是“由大范围性质到局部性质”，大范围性质可以用拓扑不变性质来描述。这样拓扑性质初期知觉理论对知觉组织提出了超越直觉的科学准确描述，为知觉组织的各种概念和规律的科学刻画提供了理论基础。大范围首先学说 “大范围”的含义“大范围首先”学说的进一步的关键是：如何从不变性知觉的角度科学准确地定义“大范围和局部的关系”。目前在认知科学领域的文献中，“大范围和局部的关系”的概念常常和“整个物体和组成部分”（Whole vs. Parts）、“大的和小的”（Large-scale vs. Small-scale）、“整体的和分析的”（Holistic vs. Analytic）、“区分的和不区分的”（Undifferentiated vs. Differentiated）、“复合物和组成成分”（Compounds vs. Components）、“整体的和可分离的”（Integral vs. Separable）、“整体的和非整体的”（Integral vs. Nonintegral）、 “不可分析的和可分析的”（Nonanalyzable vs. Analyzable）等概念相混淆。这样的大量类似概念的提出，一方面反映了“大范围和局部的关系”的确是认知科学的一个中心问题。特征捆绑问题说到底，是物体的特征性质和作为整体的物体之间的关系问题，也就是“大范围和局部的关系”问题。另一方面，这样的混淆正是造成长期以来“大范围和局部的关系”的研究，包括特征捆绑问题中特征性质和整体物体的关系的研究，没有突破的原因。显然，如果把“大范围和局部的关系”的概念理解成例如“整个物体和组成部分”、“大的和小的”，那么我们就不可能把握知觉的“大范围和局部的关系”的科学内涵。把不“大范围和局部”简单地等同于“整个物体和组成部分”、“大的和小的”、我们不能声称“大范围首先”。我们没有理由声称大的东西的知觉一定先于小的东西的知觉，整个物体的知觉一定先于它的组成部分的知觉，因为这些知觉关系显然取决于刺激物体呈现的条件，什么样的数学概念可以给“大范围和局部的关系”以科学准确的定义？如前所述，拓扑性质初期知觉理论强调变换和变换下的不变性对于理解知觉组织的重要性。这样的强调变换和变换下的不变性质的数学思想也是克莱因提出的Erlangen纲领的思想。Erlangen纲领认为各种几何性质本质上是不同的变换群下的不变性质。比如，朝向是平移变换下的不变性；角度是转动变换下的不变性；平行性是平行变换下的不变性。Erlangen纲领提出了一个系统的数学框架，描述拓扑性质和其它几何性质的关系。根据各种变换下的不变性质的相对稳定性，Erlangen 纲领把几何学划分成著名的几何学分类层次：拓扑学、射影几何、仿射几何和欧氏几何。在我们考虑什么性质可能是知觉信息的基本表达时，一个重要的考虑因素是它们的相对稳定性。在自然界中的一个物体运动时，它的一些性质会变化，而另一些性质会保持不变。比如，一只鸟在空中飞行，它的朝向、大小和亮度都在改变，但是它的一个最基本的性质，即它是“一个物体”的性质，仍然保持不变。用拓扑学的语言来描述，它的连通性不会改变。这就是说，连通性要比别的诸如朝向、大小和形状的特征性质稳定。我们认为，越是稳定的性质可能具有更重要的知觉的意义，因此可能是更基本的表达。Erlangen纲领一个核心的思想是：某种变换越是一般（限制越小），这种变换下的不变性质就越稳定。这个数学思想对于我们寻求“大范围和局部的关系”的科学描述特别有用。根据这样的数学思想，我们把“大范围和局部的关系”和变换下的不变性质的数学描述联系起来，提出了一个关于“大范围和局部的”关系的形式和系统的定义：一个变换越是一般，这个变换下的不变性质就越是大范围（稳定）。特别地，相对于各种几何变换，拓扑变换是最一般的，因此拓扑性质是最稳定、最大范围的不变性质。大范围首先学说 “首先”的含义如下图所示，“大范围和局部关系”的不变性意义下的理解近一步引导到一个根本性的预见，知觉过程有一个由“大范围到局部”的功能层次：不同几何性质的相对的知觉显著性（salience）（比如，图右所示的反应时）有一个类似于Erlangen 纲领的几何学分类层次的功能层次。在这个不变性知觉的“大范围到局部”的功能层次中，越是大范围的性质，越是知觉突出（salience）。特别是各种不变性质知觉的时间先后关系是“由大范围到局部”：越是大范围的性质，越早在知觉过程中发生；拓扑性质是最大范围的，因此在知觉过程中“首先”发生。讨论到这里，针对特征捆绑问题提出的“大范围首先”学说的认知科学关键问题已经明朗。“大范围”的含义是：越是稳定不变的性质，是越大范围的性质。“首先”具有两方面的严格含义：第一，局部几何性质的知觉在因果关系上基于由拓扑性质决定的大范围组织；第二，拓扑性质（由物理连通性决定的）的知觉在时间先后关系上先于局部几何性质的知觉。根据这样的理论框架（如下图所示），特征捆绑问题涉及的“知觉过程从哪里开始的”、“大范围性质和局部性质的关系”这些最基本的问题，不再是“鸡生蛋还是蛋生鸡”的问题。“知觉过程从哪里开始的？”问题成为一个科学准确描述的问题：知觉过程是从局部欧氏几何性质开始的，还是从大范围拓扑性质开始的？这必须也只有用实验事实来回答。正如在本申请的第一部分就认知科学的哲学和方法论所强调的，特征捆绑问题的最终解决，大范围首先学说的验证、发展和丰富，必须也只有依靠实验事实，包括脑认知功能成像的生物学证据的约束。这些实验研究构成本申请的主要部分，将在本申请各课题部分详细报告。2、本项目的创新点挑战半个世纪以来占统治地位的“从局部到整体”的理论路线；解决知觉研究的七大难题之一 特征捆绑问题；创立“大范围首先”的不变性知觉的系统理论。在新技术的使用方面，本项目又一方面的创新亮点是：从心理行为、脑认知功能成像、细胞电生理、直至分子遗传学的，多认知层次、大跨度学科研究。3、课题设置，每个课题的主要研究内容、目标、承担单位、课题负责人及课题在整个项目经费中所占比例特征捆绑问题是一个牵涉到众多领域和方面的问题。如果大范围不变性质的确是知觉的最基本表达，“大范围首先”理论作为一个系统的理论，必须可应用到不同层次的认知过程，也必须从不同层次的认知过程发现支持的证据。要在特征捆绑问题上有突破，需要多学科、多方面、多技术的努力。我们拟设置大跨度跨学科的五个课题：（一）视知觉组织及相关的其它认知层次的行为实验研究和脑认知功能成像。（二）中文阅读障碍的视觉和选择性注意失调的脑认知功能成像。（三）灵长类动物（猴）的不变性知觉的电生理和组织解剖学研究。（四）视觉不变性的脑结构基础与相关基因的研究。（五）以功能磁共振成像为核心的认知科学实验环境建设。这五个课题的设置，相互间的关系，以及与项目总体目标和五年目标的关系，具体叙述如下。课题1视知觉组织及相关的其它认知层次的行为实验研究和脑认知功能成像本课题是本申请项目的实验研究的核心。人类视知觉组织的认知科学行为实验研究和脑认知功能成像将为“大范围首先”的不变性知觉理论提供基本的实验证据，同时也为其它三个课题的研究提供基本的实验范式和思路。本课题研究的重点是：在形状知觉、选择性注意、动态记忆、知觉学习、以及大脑损伤病人的不同层次，集中研究前颞叶及其相关功能区的脑认知功能成像。集中研究前颞叶也正是本课题和其它课题，特别是第二和第三个课题的内在联系的一个主要方面。本课题拟开展的实验研究包括如下五方面。（1）“物体”的拓扑学定义和选择性注意研究，包括MOT（多个物体跟踪）实验和“注意捕获”实验研究。MOT实验将检验物体拓扑性质的改变是否会干扰“物体”被知觉的连续性。“注意捕获”的实验 提出了一种“完全的自下而上”的新概念，将为知觉过程的“首先”，提供决定性的证据。（2）两条视通路的关系：运动知觉和形状知觉关系的不变性知觉研究。视觉系统分成形状知觉和空间运动知觉两条通路的理论是理解特征捆绑和知觉组织的一个基本的生物学约束。我们将集中研究长距离似动和形状知觉的关系。 （3）动态记忆的不变性知觉的功能层次机制。动态记忆在知觉组织和特征捆绑中也显然具有重要作用。我们将利用基于拓扑不变性质的各级几何不变性质来系统的测量“记忆动量”随着物体的形状改变而改变的相关性。（4）知觉学习和不变性知觉的功能层次。我们将把拓扑性质知觉学习的效果和其它局部性质进行系统比较，从发育的角度提供大范围“首先”的有力证据。知觉学习的研究将和本项目课题4的果蝇的基因研究相结合，把大范围“首先”的研究深入到基因的水平。（5）大脑损伤病人的不变性知觉的脑功能成像研究。大脑损伤的病人选择性的丧失某些认知功能，选择性的保留某些认知功能，为我们研究特征捆绑和知觉组织的机制提供了独特而重要的机会。盲视的实验 研究课题组3（非人灵长类动物研究）结合，探讨盲区残存的的大范围不变性质的视力的皮层下通路的可能性。单侧视觉忽视实验 探索基于物体的选择性注意的脑认知功能成像（图谱）。运动知觉缺陷实验 比较测量运动知觉缺陷的大脑损伤病人的长距离视动和短距离视动脑功能成像。大脑损伤病人的神经心理学研究的重要的一环是发现恰当的大脑损伤的病人。本课题的参加人员包括医院放射科和脑系科的医生，将对本课题的研究起到不可缺少的重要作用。本课题还包括了行为遗传学的专家，将推动本课题和下述的课题4（视觉不变性的脑结构基础与相关基因的研究）的结合。本课题的目标为完成项目“10+1”的五年总体目标，即发表10篇以上国际顶尖级杂志的论文，出版“一本书”（Feature Binding and Perceptual Organization: the Global-first Approach）：（一）就知觉组织问题，发表3-5篇国际顶尖级杂志的论文；（二）在“一本书”计划中，就（1）知觉物体的拓扑学定义，（2）基于物体的选择性注意，（3）运动知觉和形状知觉关系的不变性知觉，（4）动态记忆的不变性知觉的功能层次，（5）知觉学习和不变性知觉的功能层次，（6）大脑损伤病人的不变性知觉等方面的“大范围首先”的不变性知觉的实验研究和理论分析，撰写6-8章，并且撰写全书的总论。本课题经费占项目总经费的27.3%，专项经费的26（含4%代管项目办公室经费）。承担单位：脑与认知科学国家重点实验室，北京医院。课题负责人：陈霖。课题2中文阅读障碍的视觉和选择性注意失调的脑认知功能成像阅读障碍是什么认知机能缺陷引起的？过去40多年对英语和其它拼音文字的研究结果支持儿童阅读障碍根源于“语音处理方面缺陷”的假设。近几年有研究发现，患有阅读障碍症的儿童也有视觉运动知觉和视觉选择性注意的失调。特别是，功能磁共振成像的研究报告了阅读障碍症的患者视运动知觉不产生MT+区的兴奋的重要现象。这些发现都支持阅读障碍症根源的另一个假设，即“视觉处理缺陷”的假设。较之英文而言，汉字字形组织的突出特点是，它的知觉的整体性不仅产生于空间相邻性的组织因素，而且产生于多种视知觉的组织因素。因此对于中文阅读障碍症的研究，知觉组织的失调的作用更应当引起我们的重视。拓扑知觉理论认为，知觉信息的基本表达是不同稳定层次的几何不变性质，知觉的整体性本质上是大范围拓扑不变性质的知觉。这样的不变性知觉的理论为我们研究中文阅读障碍症的视觉处理缺陷根源，提供崭新的思路和一系列新的变量，通过认知科学的知觉研究推动形成语言科学中的新流派。如课题1中强调的，中文阅读障碍症的知觉组织失调的脑认知功能成像也将集中视腹侧通路的前颞叶及其相关的脑功能区。本课题拟开展如下方面实验。（1）运动知觉研究。 我们将应用功能磁共振成像等脑成像方法，深入、系统地研究阅读障碍症患者的运动知觉异常的机制。（2）视觉搜索研究。我们拟利用不同稳定性水平的几何不变性质系统地测试阅读障碍儿童的视觉搜索能力，及其脑认知功能图谱。（3）左右大脑半球的不对称性研究。我们拟使用不同稳定层次的几何不变性质系统测量阅读障碍儿童的左右大脑半球的不对称性，及其脑认知功能图谱。（4）阅读障碍儿童的基于“知觉物体”的选择性注意能力的测试。比较阅读障碍儿童和正常儿童对于新物体“突然出现”、拓扑性质改变和其它特征性质改变的不同反应及其脑认知功能图谱，分析阅读障碍儿童选择性注意失常的机制。（5）中文阅读障碍与语音的分辨能力。为了发现导致中文阅读障碍的最主要因素，我们也会采用，其中包括同音字判断任务、语音意识任务、以及韵律判断任务等。我们将用与语音有关的认知任务测试阅读障碍儿童与阅读能力正常儿童，为中文阅读障碍的视觉根源提供论据。我们还将采用同样的实验任务对患有英文阅读障碍的美国儿童进行测试，通过与中国儿童的大脑活动进行参照性研究，可进一步加深我们对语言是如何影响大脑活动问题的深入理解。本课题负责人与美国Georgetown 大学医学院学习研究中心的长期合作协议将有助于这方面的研究。本课题的目标围绕项目的预定目标，本课题拟1. 就中文的阅读障碍问题发表35篇国际顶尖级杂志的论文；2. 在“一本书”计划中，就与中文阅读有关的“大范围首先”的不变性知觉和选择性注意的实验研究进行深入系统的理论分析，撰写23章。本课题经费占项目总经费的15 %，专项经费的20。承担单位：中国科学院研究生院（脑与认知科学国家重点实验室），香港大学。课题负责人：谭力海。课题3灵长类动物（猴）的不变性知觉的电生理和组织解剖学研究猕猴的实验可以利用微电极、局部毁损等细胞水平的电生理实验，将对课题1和2的无创伤性的脑功能成像的实验结果，在空间、时间分辨率，在功能解剖定位，在不同的反映脑认知功能信号指标各方面起到互补的作用。猴的视觉皮层系统在功能解剖学上和人类比较相似，猴的视觉系统研究对理解人类的视觉系统起到重要作用。本课题拟用猕猴为实验动物，从细胞水平，和课题1和2同样集中探讨颞叶在不变性知觉中的作用。本课题拟开展如下方面实验。（1）颞叶腹侧皮层（IT）中拓扑性质检测的神经元研究。由3方面实验所组成：IT神经元对拓扑视觉刺激的反应 观察IT神经元对拓扑变换以及经典视觉刺激反应的异同，并同枕叶进行比较。可逆性短暂干扰枕叶功能，对IT神经元的影响 研究IT 和 V1，V2。在枕叶找到相关神经元后，刺激IT，观察枕叶神经元的反应。视觉辨别时，枕叶和IT之间的Gamma振荡同步化 在IT和枕叶（V1V4）记录各个脑区的局部场电位。（2）颞叶MT区域在视觉长程似动过程中的作用由两方面的实验所组成：MT或/和IT是否涉及到似动过程；MT和IT神经元对似动和真动的反应。在电生理学上，利用多道微电极记录，观察MT，IT对似动和真动的反应。（3）脑老化对视觉拓扑性质知觉的影响用老年猴为模型来研究老年病和脑衰老对以拓扑性质为基础的各级几何不变性质的影响：越是不随着年龄的衰老而退化的视觉变量可能是越基本的表达。研究包括两方面：老年猴对视觉拓扑变换刺激反应的特征观察其操作反应并和年轻猴的成绩进行比较。GABA对拓扑变换视觉刺激敏感神经元的调制在目标皮层区域找到对拓扑变换或/和经典视觉刺激反应的神经元，然后利用微电泳的方法，观察GABA拮抗剂或者激动剂对其的影响。 本课题的目标本课题要回答的关键科学问题是：视觉拓扑特征检测的脑机制是什么？它和脑的精细视觉检测机制之间是什么样的关系。自从格式塔理论建立后，尽管很多心理物理的实验表明其正确性，但在生理学上，一直没有直接的证据。以此相反，视觉的计算理论却是在电生理学实验证据建立起来的。我们的研究有望为格式塔理论寻找电生理学的证据，进而能消除视觉认知科学领域两大分水岭（格式塔理论和计算理论）的分歧。在课题结束时，预计能在影响因子8以上的杂志，如JNS，Neuron，甚至顶级杂志上发表论文1-4篇。如果我们能为格式塔理论找到电生理学的证据，进而能消除视觉认知科学领域两大分水岭的分歧，那么其意义就更大了。 本课题经费占项目总经费的13.7%，专项经费的14。承担单位：中国科学院昆明动物所，中国科学院生物物理所（脑与认知科学国家重点实验室）。课题负责人：马原野。课题4 视觉不变性的脑结构基础与相关基因的研究利用果蝇为模式生物进行遗传学研究的优势：清晰的遗传背景；较短的生命周期、较强的繁殖能力；相对简单的生物学结构；果蝇行为学的研究已有大量积累，本课题拟开展如下方面实验。（1）建立和完善果蝇各级几何不变性质分辨的行为范式。（2）研究果蝇各级几何不变性质分辨的细胞生物学基础。采用分子生物学、药理学和物理学等方法，限定性地改变果蝇脑中特定结构，或精确阻断及恢复部分神经元群的功能，研究特定脑区或神经元群对模式生物分辨不同拓扑性质图形能力的影响。（3）筛选果蝇参与拓扑不变性质为基础的各级几何不变性质分辨的可能基因。实现P因子在果蝇基因组中的稳定插入，筛选出影响果蝇分辨拓扑性质的突变体果蝇品系，发现在不变性视知觉过程中可能起关键作用的基因（群）。进一步用反向遗传学方法研究这些基因的具体功能和基因调控方式。（4）在基因组范围内寻找不同视觉分辨任务中的基因转录差别。采用基因芯片确定候选基因（群），初步阐明不变性视知觉过程中基因调控的分子作用机制。概括地说我们的上述研究将采取的基本方案是，“从表型到基因”的策略：应用视觉分辨等行为检测技术，筛选具有特定表型的突变体，通过基因定位，克隆相关的基因，从而发现与视知觉不变性有关的候选基因；“从基因到表型”的策略：利用分子生物技术平台和基因芯片等技术，发现基因并构建相关基因突变的模式生物体，同时结合多种基因修饰的方法，改变相应内源性基因的表达，研究基因及其表达产物的功能，研究基因与表型的相互关系，在细胞、组织及整体水平上进一步研究基因与视知觉不变性功能的关系。本课题的目标建立果蝇几何不变性质识别的行为范式，从进化的角度证明低等动物（果蝇）的视觉认知具有“大范围首先”的行为特性。并利用果蝇在分子遗传学方面优势，揭示视知觉不变性的细胞与分子基础，为研究较高等动物乃至人类的“大范围首先”的理论提供遗传学证据；发表2-4篇国际顶尖级杂志的论文。本课题经费占项目总经费的19.2%，专项经费的16。承担单位：中国科学院生物物理所（脑与认知科学国家重点实验室），北京工业学院。课题负责人：刘力。课题5以功能磁共振成像为核心的认知科学实验环境建设认知科学发展到今天，脑功能成像技术的实验证据已经是任何完整的认知科学理论不可缺少的根据。建设一个以3T功能磁共振成像为核心的认知科学实验环境平台包括大量、耗资巨大的工作，本项目拟集中在如下两方面：(1) 功能磁共振成像方法和其它各种成像方法，包括脑磁图、脑电图、穿颅磁刺激、光学成像等的结合。我们计划从以下几个方面着手研究：1. 磁共振成像技术的发展、认知实验环境的建设我们计划在平台上发展最新的功能磁共振成像技术，包括 应用多通道线圈的快速高精度功能图像采集方法, 包括iPAT EPI、并行Spiral成像、Multi-echo Propeller方法、基于图像域的快速GRAPPA算法等。发展这类方法将能大幅提高fMRI的时间分辨率和信噪比和图像重建速度。 非张量扩散成像方法，与张量扩散成像(DTI)互相补充，用于脑区关联性研究。 制作专用光学刺激呈现及反应记录系统，磁共振实验环境模拟器。 和西门子公司合作，获得该公司最新磁共振成像软硬件，及时更新我们已有的西门子3T磁共振成像系统。2. 磁共振成像与脑电的结合研究。3. 磁共振成像和脑磁图的结合研究。根据和MIT合作的计划，目前已开始在北京采集fMRI数据，在Boston采集MEG数据。4. 磁共振与穿颅磁刺激(TMS)的结合。包括以下工作：TMS线圈和磁共振头线圈的改造，使两者互相适应；TMS放大器的改造，包括放大器的技术升级和线缆改造；TMS线圈固定和定位装置的改造。包括设计一套远程控制线圈定位的气动控制装置。5. 脑电与TMS的结合主要包括：消除TMS产生的瞬间磁场对脑电信号带来的涡流等干扰；脑电和TMS的同步。（2）建设一个脑功能成像的实验数据共享及后处理软件平台和以“特征捆绑问题”为专题的人脑认知功能图谱专业知识库。国际上已经有数个以人脑认知功能图谱（human brain mapping）为核心目的的合作项目出现并正在高速发展中，例如美国的“大脑图谱国际合作组织”(International Consortium for Brain Mapping, ICBM)和“生物医疗信息网”(Biomedical Informatics Research Network, BIRN)。仅去年NIH对BIRN计划追加了3280万美元经费。ICBM和BIRN是重要但是耗资巨大的计划。根据我们目前已有的基础，特别是根据要实施本项目的目前最迫切的需求，我们拟把脑认知功能图谱（Human brain mapping）的基本建设集中在两个方面的有限目标。一个有限目标是，建设一个把参加本项目的各课题组的有关单位连接起来的脑功能成像的实验数据共享及后处理软件平台。另一个有限目标是，建设一个以“特征捆绑问题和不变性知觉”为专题的人脑认知功能图谱专业知识库。针对脑成像数据海量的特性，我们计划在北京建立一个大容量，高可靠性，高可用性的实验数据存储中心。应用磁盘阵列技术和网络存储，平台计划提供5T以上的可靠在线存储，和几乎无限量的离线存储。经过安全检查和权限控制以后，这些存储空间可以通过互联网访问到，使大范围的合作成为可能。针对脑成像数据异构、多模、多维的特性，借鉴BIRN和ICBM的成功经验，我们将开发集成一套数据融合，配准，标准化的软件。使不同来源的数据能在平台上无缝地流动。同时，平台提供绝大多数流行的通用数据处理软件，以便于不同研究机构的研究者能共享平台资源。针对脑认知研究数据后处理运算人机交互和密集运算交织的特性，一方面需要不断架构高性能的中央服务器来解决运算速度的瓶颈，另一方面也要利用高速局域网，采用并行和分布式计算方式来充分利用现有硬件设备。我们计划建立的知识库，集中于“特征捆绑”和不变性知觉专题的文献和其它来源的脑功能成像数据。在这个专业知识库设计中，将避免在信息模型设计中使用固定的树型结构，而采用XML,OODB等新技术, 从建立时起就设计成柔性开放型的知识库。一篇论文，一组数据，乃至一种思想，一旦被编码存入知识库，还能够保持柔性，随着查询方式的变化，信息的索引方式是动态产生的，而不再是像传统关系型数据库中那样在设计时规划。本课题的目标建设一个以3T功能磁共振成像为核心的认知科学实验环境平台，为实现本项目创立一个新的原则或一个新的学派的科学目标，特别是要使“整体首先”(“global-first”)的知觉理论具有生物学的约束，提供技术支撑。为此，计划完成下列工作：实现功能磁共振成像方法和其它各种成像方法，包括脑磁图、脑电图、穿颅磁刺激、光学成像,“高密度电极阵列”等的结合，达到国际先进、实用水平。建设一个脑功能成像的实验数据共享及后处理软件平台和以“特征捆绑问题”为专题的人脑认知功能图谱专业知识库，做到开放、实用；并通过该项任务的完成，为建设一个国内认知科学研究的各单位之间共享数据和结果，以及它们与国际研究机构交流数据的网络平台提供基础。此外，在国际专业杂志（SCI或EI收录）发表方法学方面论文5-8篇，实现发明专利受理2-3件。本课题经费占项目总经费的24.7%，专项经费的24。承担单位：中国科学院研究生院（脑与认知科学国家重点实验室），北京宣武医院。课题负责人：罗靖。这些课题涉及视知觉、选择性注意、动态记忆、知觉学习、直到汉字认知等不同层次的认知过程；涉及不仅正常人、而且大脑损伤和心理失常病人、灵长类动物（猴和老年猴）以及昆虫（果蝇）；涉及心理科学的行为实验方法，各种脑功能成像方法（包括功能磁共振成像、脑磁图、高分辨脑电、TMS、以及这些成像方法的结合），电生理方法（包括“电极阵列”、自由活动猴脑的神经元单位放电记录、以及各种局部可逆毁损等），直至分子遗传学方法。这样，这些课题从不同的认知功能层次，使用多种实验对象，运用多学科实验方法，为实现本项目总体目标，即创立“大范围首先”的不变性知觉系统理论，发现心理行为、脑成像、细胞生理直至分子遗传的实验证据。概括地说，这些实验研究课题的内在联系和跟本项目总体目标和五年目标的内在关系反映在如下四个方面：l 内容方面：都集中在解决特征捆绑问题的研究，为了发现“大范围首先”的行为和生物学证据；l 理论方面：都是把拓扑性质为基础的各级几何不变性质，而不是把传统的局部特征性质，作为实验测试的基本变量；l 脑功能解剖结构方面：都把颞叶腹侧皮层(IT)作为脑认知功能图谱的重点；l 学科层次方面：以脑功能成像为核心方法和桥梁，把心理行为层次直到分子遗传层次大跨度地结合起来。最后，我们将根据973计划的有关要求，设立项目办公室，协调各课题组的工作，并组织各项学术活动。四、年度计划研究内容预期目标第一年本年度本项目总体上研究涉及整个项目的重点是：在认知科学行为实验方面，（1）“知觉物体”概念的拓扑学定义的行为实验；（2）多种基于物体的选择性注意的行为实验；（3）中文阅读障碍儿童的视觉和选择性注意失常的测试；（4）猴子长距离似动知觉的行为训练；（5）果蝇的拓扑性质分辨的行为实验。在脑功能成像方面，（1）MOT实验中运动物体的拓扑性质改变和其它局部体征性质改变的功能磁共振成像实验；（2）视觉搜索的功能层次的功能磁共振成像实验；（3）中文阅读障碍儿童的似运动的功能磁共振成像实验。在细胞电生理实验方面，（1）猴子MT区的微电极记录实验；（2）猴子MT区毁损的实验。在果蝇的分子遗传学实验方面，（1）在果蝇的拓扑性质分辨的行为实验基础上，开始筛选影响分辨拓扑性质的果蝇突变体。在脑成像环境的建设方面，（1）开展西门子3T系统16通道的系统更新；（2）提高功能磁共振成像时间分辨率的有关算法的引进和使用，特别是在IT区的试验；（3）磁共振和脑磁图的结合。在“知觉物体”概念的拓扑学定义方面发表一篇国际顶尖级杂志论文；在中文阅读障碍的研究方面发表一篇国际顶尖级杂志论文；在基于物体的选择性注意的行为实验和功能成像实验方面取得实质性进展；在猴子长距离似动知觉的行为实验方面取得实质性进展；在果蝇的拓扑性质分辨的行为实验方面取得实质性进展；视觉搜索的功能层次的功能磁共振成像实验方面取得可以撰写一篇国际顶尖级杂志论文的充足实验数据；猴子MT区的微电极记录和毁损的实验方面取得实质性进展，为进一步的MT区和颞叶区的关系的研究提供基础；果蝇的分子遗传学实验研究形成更为具体的研究方案；完成西门子3T系统16通道的系统更新；引进和开发在提高功能磁共振成像时间分辨率的有关算法，在IT区的试验方面取得实质性进展。第二年本年度本项目总体上研究涉及整个项目的重点是：在认知科学行为实验方面，继续深入开展（1）“知觉物体”概念的拓扑学定义的行为实验；（2）基于物体的选择性注意的行为实验；（3）中文阅读障碍儿童的视觉和选择性注意失常的测试；新开展（4）大脑损伤病人盲视、单侧视觉忽视和运动知觉缺陷等大脑损伤的病例的实验研究；（5）动态记忆的不变性知觉的功能层次机制研究；（6）果蝇的不变性知觉功能层次的研究；（7）老年猴的视觉衰退的行为实验研究。在脑功能成像方面，（1）基于物体的选择性注意的行为实验的功能磁共振成像实验；（2）动态记忆的不变性知觉的功能层次机制的功能磁共振成像实验；（3）大脑损伤病人盲视机制的功能磁共振成像实验；（4）左右大脑半球不对称性的以拓扑不变性质为基础的各级几何不变性质为变量的功能磁共振成像实验；继续（5）中文阅读障碍儿童的似运动的功能磁共振成像实验。在细胞电生理实验方面，（1）猴子颞叶区的微电极记录实验；（2）猴子颞叶区毁损的实验。在果蝇的分子遗传学实验方面，继续（1）筛选影响分辨拓扑性质的果蝇突变体；（2）开始在基因组范围内寻找不同视觉分辨任务中的基因转录差别。在脑成像环境的建设方面，继续（1）提高功能磁共振成像时间分辨率的有关算法的引进和使用，特别是在IT区的试验；（2）磁共振和脑磁图的结合；新开展（3）磁共振和脑磁图的结合；（4）磁共振和脑电图，特别是同时记录的脑电图的结合；（5）开始特征捆绑专业图谱的建设。在基于物体的选择性注意的实验方面发表一篇国际顶尖级杂志论文；在中文阅读障碍的研究方面再发表一篇国际顶尖级杂志论文；在运动知觉和形状知觉的关系方面发表一篇国际顶尖级杂志论文；在果蝇不变性知觉的分子遗传学研究方面取得实质性进展；大脑损伤病人特别是盲视病人的脑功能成像方面取得实质性进展，取得可以撰写一篇国际顶尖级杂志论文的充足实验数据；在果蝇的不变性知觉功能层次的研究取得实质性进展，取得可以撰写一篇国际顶尖级杂志论文的充足实验数据；在以各级几何不变性质为变量的老年猴的视觉衰退机制的行为实验研究方面取得实质性进展；动态记