心理研究发现生物运动的多维度属性在人脑中的层级加工关系

  • 脑与认知科学国家重点实验室 蒋毅研究组
  • 创建时间: 2023-05-09
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       当观察来来往往的人流时,人们可以轻松地根据他人的行走姿态提取和加工多种特征属性,如行走方向、性别、情绪等。在这里,人的行走姿态便是一种典型的生物运动(biological motion)。生物运动指生物体(人类或其他动物)的整体运动模式,对该刺激的有效加工与人们的复杂社会互动行为乃至生存发展密切相关。生物运动信息包含多维度属性,如方向、速度等物理属性,性别、年龄等生物属性,情绪、意图等社会属性。大脑是如何从同时具有多维度属性的生物运动刺激中提取每种属性,并且不同属性的加工之间是否存在关联?

  脑与认知科学国家重点实验室蒋毅研究组的科研人员利用功能磁共振成像(fMRI)技术探究人脑对生物运动多维度属性的加工机制。实验中采用了以光点刻画人体主要关节点运动轨迹的视觉刺激(图1)。研究者系统操纵了该刺激的三种属性,行走朝向、性别和情绪。借助多元回归的表征相似性分析(representation similarity analysis,RSA),研究者定位了这三种属性加工的脑网络(图2上)。如图所示,行走朝向特征的主要表征脑区位于大脑皮层的背侧,性别特征的主要表征脑区位于前额和颞叶,情绪特征的主要表征脑区涉及了广泛的背侧和腹侧皮层。

图1. 实验刺激和流程图

图2. RSA结果图

       更重要的是,研究者采用了一种保留目标属性而随机打乱其他属性的分析方法,对每种属性的加工如何受其他属性加工影响进行了分析(图2下)。结果发现,行走朝向的加工会较多地受到其他维度加工的影响,性别的加工所受其他维度加工的影响次之,而情绪的加工受到其他维度加工的影响较小。该结果提示,生物运动不同维度属性的加工并非以往的预想那样,首先提取“低层级的”物理属性信息而最后提取“高层级的”社会属性信息,而是包含了更为复杂的相互动态调制过程。最后,研究者总结了本研究和以往研究结果,提出了一种生物运动不同维度特征的大脑加工模型(图3)。

图3.生物运动不同特征加工的脑网络

总的来说,该研究首次定位了生物运动多维属性的脑表征网络,并揭示了不同维度特征加工的层级结构关系,为进一步理解生物运动信息加工的脑机制提供了重要线索,并为未来的步态识别、生物运动计算建模等研究提供了重要的理论支持。

  该研究获得国家自然科学基金、中国科学院战略性先导科技专项等项目的支持。

  成果已在线发表于Cerebral Cortex。中国科学院心理研究所博士研究生王睿迪为本文第一作者,中国科学院心理研究所博士后鲁溪芊和蒋毅研究员为本文共同通讯作者。

  论文信息:

  Ruidi Wang, Xiqian Lu, Yi Jiang, Distributed and hierarchical neural encoding of multidimensional biological motion attributes in the human brain, Cerebral Cortex, 2023, https://doi.org/10.1093/cercor/bhad136