哈佛大学“运动视觉”的研究疑点

Harvard University's study of "motor vision" raises questions

------人眼新问（18）神经元回路能搞清“运动视觉”吗？

都世民（Du Shimin）

问题的提出

2020/8/18 ，中国科学报和科学网刊文：“科学家揭秘运动视觉机制”。

（http://news.sciencenet.cn/htmlnews/2020/8/444281.shtm）

研究目的：弄清运动和视觉之间的关系。

研究单位：美国哈佛大学。

研究方法概述：观察了动物自由漫游时，大脑中分析图像的一个主要区域发生了什么？

研究结果：当动物运动时，初级视觉皮层的图像处理回路不仅更活跃，而且它们会从大脑的运动控制区域接收信号，这个区域与处理动物正在看的东西的区域是独立的。

研究结果发表在《神经元》上。

2020-08-14 ，科技日报发表文章：大脑如何判断危险信号？防御反应存在“简单策略”。这篇报道是中国研究人员研究结果，与上一篇报道有关联，这篇报道强调的是大脑一个区域，获取危险信号，作出反应，也就是动物的移动方向。而上一篇报道是眼球运动，来判断运动方向，这两个结果完全不同。研究者认为，视觉系统在判断危险信号时可能会忽略掉一些细节，只基于某些关键视觉线索进行判断。研究团队开发了基于红外触摸屏的小动物行为自动监测系统。通过给小鼠设定视觉刺激，记录小鼠在遇到视觉刺激时的反应参数。两篇报道的研究方法完全不同，结论也不同。这篇报道的研究成果发表于《BMC Biology》期刊上。

笔者这对这两项研究有诸多疑问，美国哈弗大学研究的创新点不明显，中国的研究人员的创新点比较明确，但对存在的问题并没有更深入的研究，为此提出如下疑问。

对研究结果提出的疑问

1）研究者认为，动物运动是如何用大脑来“观察”的，复杂神经元回路发挥的作用，在很大程度上仍是未知的。这种说法不确切，动物运动时观察周围的事物，用单纯的所谓映射神经元回路能说得清吗？首先映射的神经元回路，与人眼的细胞回路之间的关系，没有很好证明，至今人的眼睛是如何成像，这之间的细胞连接仍然不清楚，人与动物之间有什么差异？这也不清楚。在这种情况下，通过大脑来研究，就有些瞎子摸象的研究思路。是通过动物实验来说明人，还是直接对人的眼睛进行研究，应该加以区别。

2）研究者认为，灵长类动物和人类使用复杂的眼球运动来集中视觉。笔者认为这种说法存在问题，眼球运动怎么能够在把视觉关注点集中，不同学科对视觉的关注点有不同解释，心理学家、脑科学、佛学对这个问题的解释是不同的，因为视觉成像，是在视网膜上，还是在大脑中枢神经系统？或者说是在人的“心”，这些概念是不同的，如果成像说不清楚，关注点更说不清。而眼球运动是由谁控制？他与视觉是不是一个通道？生物学认为是眼外肌控制眼球，眼外肌是靠什么控制？它的微观机制是怎么形成的？不同动物眼睛的构造也不同，用头部的移动和眼球的移动的区分，想说明关注点，根据不充分。对这个问题应该进行更深入的研究。

3）研究者认为，视觉实验的典型设置是将动物（比如老鼠或猴子）注射镇静剂，并将其头部固定在一个位置，然后给予视觉刺激，比如照片，这样研究人员可以看到它们大脑中的哪些神经元会做出反应。

这篇报道的改进点，研究者把每只大鼠通过植入电极后，放在一个笼子里，并持续记录它们的头部运动。以这种方法测量了大鼠运动时初级视觉皮层的大脑活动。笔者认为这些方法的改进，没有本质的区别。

问题在于研究人员为什么使用机器学习算法对两种模式进行了编码？这样做带来的问题是什么？有专家对这个方法提出疑问。

4）人眼电测为何引入电极？笔者在科学网曾经发表一篇博文，讨论这个问题。

（http://blog.sina.com.cn/s/blog_5e7be7c50102zjfe.html）

无论这个电极植入在什么部位，是在大脑皮层还是在视网膜上？这个电极与细胞之间是怎么连接的？是有线的还是无线的？如何证明？如果这个电极是在视网膜上，它必然受到光线的电磁波辐射的影响，也就是说电极会接收到这个信号。如果电极在大脑皮层，同样会受到周围环境的电磁波影响，这是不可避免的，怎样才能把这些信号除掉？为了证明这一点，从过去的实验中，可以看出。从谢平的著作中可以查出。（探索大脑的终极秘密：学习、记忆、梦和意识，科学出版社,2018. 1 ）。

5）有关视觉通道有几条？（https://new.qq.com/omn/20200501/20200501A05MX200.html）

视觉的反馈通道解决没有？这两个问题很关键，如果这个问题不解决，这篇报道的试验研究是存在问题的，动物和人视觉的关注点，是有反馈通道的情况下才能形成，而人还有意识的问题存在，这个问题更难搞清，也就是说单靠映射的神经网络是说不明白的。关于这方面的研究不在于动物固定头部还是不固定头部的差异。本质问题不在于此。

6）研究者认为，研究结果的数据显示，平均而言，即使在黑暗中，在运动时，大鼠视觉皮质的神经元也比休息时更活跃，因为在一个漆黑的房间里，并没有需要处理的视觉数据。这意味着这种活动来自于运动皮层，而不是外部图像。笔者认为对这个问题的看法，根据不充分，动物有在夜间工作，也有在黑暗中工作，老鼠和鱼就不同，老鼠和人也不一样，人的感光细胞在昏暗或明亮的时候是不一样的，有交换机制。实际上这些问题比较复杂，单纯靠神经元的激活数量，来探讨活跃的程度，并不能够说明问题。

7）研究者还认为，运动时视觉皮层的神经模式在黑暗和光明中是不同的。研究人员使用机器学习算法对两种模式进行了编码。通过观察大鼠视觉皮层的神经活动，不仅能判断出其头部的移动方向，还能在它们做出动作前几百毫秒预测出移动方向。笔者认为人的视觉皮层、感光细胞，在昏暗和光明的两种情况下是不同的，这早已探明。那么在运动时是不是改变了这种情况呢？难道这个结论是研究者自己确定的吗？能够说明不运动或运动时，这两种情况会改变吗？人的头部移动与人的眼球的移动都是同一通道控制吗？怎么证明？

8）笔者从先天性盲人复明的案例中，发现单靠神经元回路的激活程度，根本搞不清楚这之间的关系，也就是说先天性盲人复明为什么不能够区分物体的形状？是立方体还是球体？而后天性盲人复明却不是这样，这两种情况都不同，用神经元回路的激活程度，来判断是不够的，是说不清楚的。

8）关于视觉线索这个概念不明确，对大脑的警戒区域也没有写明划定方法，在动物的实验中，是否植入电极也不清楚。研究者认为，实验数据给出小鼠大小、位置以及对应的时间，根据这些数据可以计算小鼠逃跑的速度、僵直的时间、站立的次数等等，数据的采集和后续的计算和统计都可由程序完成，可以说我们的系统基本实现了小鼠行为数据采集和分析的自动化。但没有说明小鼠的逃跑方向。研究者给出，小鼠对圆盘阴影的大小变化和扩大速度的检测存在一个“警戒范围”，即“警戒范围”大小处于10°至40°，扩大速度在57°/s至320°/s。研究者认为，小鼠基于视觉线索是否处于警戒范围来做出反应，而不是为不同的天敌“定制”特定的检测机制。笔者认为这项研究，把视觉信息和反馈，笼统称为“视觉线索”，这之间到底是什么关系？仍然不清楚。