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基本信息

Title:Three-dimensional scene boundary representations for wall orientation and distance are represented distinctly in the human visual cortex

發(fā)表時(shí)間:2026-3-25

發(fā)表期刊:PLOS Biology

影響因子:7.2

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研究背景

當(dāng)我們走進(jìn)一個(gè)陌生的房間時(shí)，大腦能夠毫不費(fèi)力地感知到墻壁在哪里、房間有多深。這種對(duì)環(huán)境3D空間布局的視覺表征，是我們能夠在物理世界中自如導(dǎo)航的基礎(chǔ)。在嚙齒類動(dòng)物中，研究者已經(jīng)發(fā)現(xiàn)大腦利用“向量編碼”（vector coding）原則來構(gòu)建空間地圖，即通過計(jì)算自我與邊界之間的距離和方向來定位。在人類大腦中，枕葉位置區(qū)（OPA）、海馬旁位置區(qū)（PPA）等場景選擇區(qū)域也被證實(shí)參與了空間布局的編碼。

然而，過去關(guān)于人類空間認(rèn)知的大多數(shù)神經(jīng)成像研究，往往依賴于高度簡化的幾何圖形或人造3D房間作為視覺刺激。這類刺激雖然便于控制變量，卻丟失了真實(shí)世界中復(fù)雜的語義上下文、光影變化和物體遮擋。反過來，現(xiàn)有的自然場景圖像數(shù)據(jù)集雖然真實(shí)，卻缺乏精確的3D布局標(biāo)注，導(dǎo)致我們很難直接研究大腦是如何從復(fù)雜的自然圖像中提取出“距離”和“方向”這兩個(gè)核心邊界向量的。

為了跨越這道方法學(xué)鴻溝，近期，北京大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種基于計(jì)算機(jī)視覺的3D布局重建方法，能夠從2D自然室內(nèi)圖像中定量估算出墻壁的相對(duì)距離、方向以及觀察者的自我姿態(tài)。借助這一工具，研究者結(jié)合大尺度7T fMRI數(shù)據(jù)集（NSD）以及全新的fMRI與MEG實(shí)驗(yàn)，以前所未有的精度拆解了人類大腦在自然場景下表征3D邊界的時(shí)空機(jī)制。

Fig 1. 展示了研究者如何通過標(biāo)注自然室內(nèi)圖像中的關(guān)鍵平行與垂直邊緣，結(jié)合透視原理，重建出包含墻壁方向與相對(duì)距離的3D空間布局模型。

研究核心總結(jié)

這項(xiàng)研究并沒有停留在“哪些腦區(qū)對(duì)場景有反應(yīng)”的粗粒度層面，而是將3D布局拆解為“邊界相對(duì)距離”和“邊界方向”兩個(gè)核心特征，并揭示了它們?cè)谝曈X皮層中截然不同的處理邏輯。

一、空間解離：早期視覺皮層算距離，高級(jí)腦區(qū)算方向

研究者首先利用大規(guī)模自然場景數(shù)據(jù)集（NSD）的fMRI數(shù)據(jù)進(jìn)行了表征相似性分析（RSA）。為了確保結(jié)果的純粹性，他們嚴(yán)格控制了圖像的低級(jí)空間頻率、中級(jí)紋理特征以及高級(jí)語義特征。

結(jié)果顯示，沿著視覺處理層級(jí)，邊界特征的表征出現(xiàn)了清晰的解離：初級(jí)和早期視覺皮層（V1-V3）主要負(fù)責(zé)編碼側(cè)墻的“相對(duì)距離”（即墻壁在視野中占據(jù)的相對(duì)面積比例，用于推斷遠(yuǎn)近），而更高級(jí)的場景選擇區(qū)域（如OPA和PPA）則專門負(fù)責(zé)編碼墻壁的“方向”。這種從后部枕葉到前部枕顳葉的表征梯度表明，大腦在提取空間布局時(shí)采取了分步策略：先在早期皮層完成基于圖像幾何的自我中心距離估算，再在高級(jí)腦區(qū)整合出更抽象的3D結(jié)構(gòu)方向。

Fig 2. NSD數(shù)據(jù)集的fMRI分析表明，在嚴(yán)格控制了2D視覺與語義特征后，早期視覺皮層顯著表征邊界相對(duì)距離，而場景選擇區(qū)域顯著表征邊界方向。

Fig 3. Searchlight 分析直觀呈現(xiàn)了單個(gè)被試大腦中從后部枕葉（紅色，距離表征）到前部枕顳葉（綠色，方向表征）的層級(jí)遞進(jìn)梯度。

除了環(huán)境本身的布局，成功的導(dǎo)航還需要大腦知道觀察者自身的姿態(tài)（Self-pose）。研究者利用重建出的相機(jī)參數(shù)，測試了視覺皮層是否編碼了觀察者的俯仰角（Pitch，低頭/抬頭）和翻滾角（Roll，左右傾斜頭）。

解碼分析發(fā)現(xiàn)，整個(gè)視覺皮層（包括早期視覺區(qū)和場景選擇區(qū)）都能可靠地預(yù)測出圖像的俯仰角，但無法預(yù)測翻滾角。這一發(fā)現(xiàn)為人類視覺系統(tǒng)顯式編碼導(dǎo)航相關(guān)的自我姿態(tài)信息提供了直接證據(jù)。從生態(tài)學(xué)角度來看，俯仰角在垂直導(dǎo)航（如上下樓梯）中極為關(guān)鍵，且在日常視覺體驗(yàn)中變化頻繁，大腦對(duì)此保持高度敏感具有重要的適應(yīng)性意義。

Fig 4. 視覺皮層能夠可靠解碼出觀察者的俯仰角（Pitch），但無法解碼翻滾角（Roll），證實(shí)了關(guān)鍵自我姿態(tài)參數(shù)在視覺系統(tǒng)中的顯式表征。

NSD數(shù)據(jù)集中的被試進(jìn)行的是簡單的圖像記憶任務(wù)，空間布局對(duì)他們而言是“任務(wù)無關(guān)”的。那么，當(dāng)人們真正需要關(guān)注空間結(jié)構(gòu)時(shí)，大腦的表征會(huì)發(fā)生什么變化？

研究者使用帶有真實(shí)3D標(biāo)注的Matterport3D數(shù)據(jù)集開展了新的fMRI實(shí)驗(yàn)，讓被試分別執(zhí)行“布局辨別任務(wù)”（導(dǎo)航相關(guān)）和“紋理辨別任務(wù)”（非導(dǎo)航控制）。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，當(dāng)空間布局成為任務(wù)核心時(shí)，初級(jí)視覺皮層（V1）對(duì)邊界距離和方向的表征強(qiáng)度都得到了顯著增強(qiáng)。這提示早期視覺皮層并非只是被動(dòng)接收信息的“中轉(zhuǎn)站”，而是會(huì)根據(jù)當(dāng)前的導(dǎo)航需求，動(dòng)態(tài)調(diào)整其對(duì)關(guān)鍵3D幾何特征的處理精度。

Fig 5. 采用Matterport3D數(shù)據(jù)集的實(shí)驗(yàn)范式，對(duì)比了要求被試主動(dòng)關(guān)注空間結(jié)構(gòu)的布局任務(wù)與僅關(guān)注表面顏色的紋理任務(wù)。

Fig 6. fMRI結(jié)果顯示，當(dāng)空間布局與當(dāng)前任務(wù)相關(guān)時(shí)，初級(jí)視覺皮層（V1）對(duì)邊界距離和方向的表征均得到了顯著增強(qiáng)。

為了捕捉這種任務(wù)調(diào)節(jié)背后的時(shí)間動(dòng)態(tài)，研究者使用相同的范式進(jìn)行了MEG實(shí)驗(yàn)。時(shí)間分辨率極高的MEG數(shù)據(jù)揭示了一幅生動(dòng)的動(dòng)態(tài)圖景：

對(duì)“相對(duì)距離”的表征出現(xiàn)得非常早（刺激呈現(xiàn)后約160-240毫秒），并且無論被試在做什么任務(wù)，這種早期表征都會(huì)自動(dòng)涌現(xiàn)。相反，對(duì)“邊界方向”的表征出現(xiàn)得要晚得多（約410-560毫秒及670-720毫秒），并且僅僅在被試執(zhí)行布局辨別任務(wù)時(shí)才會(huì)出現(xiàn)。進(jìn)一步將fMRI與MEG數(shù)據(jù)進(jìn)行跨模態(tài)融合分析后，研究者發(fā)現(xiàn)，V1在晚期時(shí)間窗口的表征增強(qiáng)與方向特征的出現(xiàn)時(shí)間高度吻合。這強(qiáng)烈暗示，高級(jí)腦區(qū)在處理完方向信息后，通過自上而下的反饋機(jī)制（或工作記憶維持），重新塑造了早期視覺皮層的活動(dòng)模式。

Fig 7. MEG結(jié)果揭示了時(shí)空分離：距離表征在早期自動(dòng)出現(xiàn)，而方向表征在晚期且僅在導(dǎo)航任務(wù)中涌現(xiàn)。

Fig 8. fMRI與MEG的跨模態(tài)表征相似性分析提示，V1在晚期（650-750ms）的表征增強(qiáng)可能源于高級(jí)腦區(qū)對(duì)初級(jí)視覺皮層的自上而下反饋。

研究意義

這項(xiàng)工作在理論與方法學(xué)上都極具啟發(fā)性。

在理論層面，它為人類空間布局感知提出了一套清晰的時(shí)空層級(jí)框架：大腦首先在早期視覺皮層快速、自動(dòng)地基于2D圖像特征（如墻壁占據(jù)的面積比例）估算自我中心的相對(duì)距離；隨后，高級(jí)場景選擇區(qū)域在更晚的時(shí)間窗口整合出邊界的3D方向；最后，如果當(dāng)前任務(wù)需要導(dǎo)航，高級(jí)腦區(qū)會(huì)將這些結(jié)構(gòu)信息反饋給早期視覺皮層，以維持或增強(qiáng)高分辨率的空間表征。有趣的是，研究發(fā)現(xiàn)大腦似乎并不傾向于計(jì)算絕對(duì)的物理度量距離，而是依賴于相對(duì)的視覺幾何啟發(fā)式線索，這反映了生物視覺系統(tǒng)在計(jì)算效率與導(dǎo)航需求之間的巧妙平衡。

在方法學(xué)層面，本研究開發(fā)的自然圖像3D布局重建技術(shù)，成功在高度控制的人造刺激與缺乏真實(shí)標(biāo)注的自然場景之間架起了一座橋梁。它證明了只要輔以巧妙的計(jì)算機(jī)視覺提取手段，像NSD這樣的大尺度自然圖像公開數(shù)據(jù)集，完全可以被轉(zhuǎn)化為研究高級(jí)空間認(rèn)知機(jī)制的強(qiáng)大寶庫。

分享人：飯鴿兒

審核：PsyBrain 腦心前沿編輯部

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