CN111329446B - 大脑视觉通路对面孔空间频率处理的视觉刺激***及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了大脑视觉通路对面孔空间频率处理的视觉刺激***及方法，首先，利用视觉刺激和核磁共振fMRI技术采集被试者的大脑数据，完成视觉通路中感兴趣脑区的个体化功能定位，然后，利用面孔构型(低空间频率信息)和特征(高空间频率信息)图片作为视觉刺激，并同时记录被试者大脑的核磁共振fMRI数据，解析大脑在进行面孔特征识别和构型识别时不同脑区的作用，以及了解不同脑区之间的功能连接关系，从而完成视觉刺激。本发明可为临床中研究疾病患者大脑对面孔识别能力的异常，从而对疾病的诊治起到辅助作用；本发明对正常人面孔识别能力的脑功能揭示可为面孔识别的人工智能及应用提供依据和帮助。

Description

大脑视觉通路对面孔空间频率处理的视觉刺激***及方法

技术领域

本发明属于神经科学技术领域，尤其涉及大脑视觉通路对面孔空间频率处理的视觉刺激***及方法。

背景技术

人类获取外界环境信息主要依赖于视觉***，视觉信息占正常人获取全部感觉信息的70％以上，而约20％的大脑皮层专用于加工视觉信息。其中，面孔信息作为人类社会一种特殊的视觉刺激，对人际交往和环境适应都非常重要。对面孔信息的识别有助于我们获取相应的性别、年龄、种族、熟悉程度和情绪状态等社会信息，同时，探索人类大脑如何对面孔信息进行加工处理，有助于全面认识人类自身的生理机能；并对模式识别、人脸识别的商业应用、计算机科学等应用基础研究和大脑疾病(如弱视、脑损伤及老年痴呆症等)中视觉能力受损原理的临床应用研究及疾病诊治奠定理论基础。

对大脑功能的研究主要分成三个层次：1)外界刺激信号输入，激活相关大脑反应；2)记录激活的大脑反应；3)对记录的数据进行分析，解析出跟输入刺激相关的大脑功能。近年来，新兴的功能核磁共振(fMRI)技术为脑科学研究中记录大脑的功能提供了技术支持，fMRI具有无创、无侵入性等优点，并且具有较高的空间分辨率和时间分辨率，fMRI通过记录血氧水平依赖(BOLD)的变化，实现对神经元活动旺盛区域的准确定位。当人脑接收到视觉刺激时，大脑不同区域相应的神经元产生活动，促使局部代谢活动改变及血氧水平发生变化。利用该技术可以记录不同视觉刺激下脑激活情况的数据，并定位特定视觉刺激激活的脑区，同时结合不同的数据分析方法，解析大脑对视觉刺激反应的时空特性。目前已知大脑视觉通路在处理视觉信息时根据刺激的特征分为两条并行通路，即大(M)细胞通路处理快速的，低空间频率(LSF)的非颜色信息，与运动知觉相关；而小(P)细胞通路处理慢速的，高空间频率(HSF)的颜色信息，与颜色和形状信息有关。大细胞通路的脑结构包括外侧膝状体的大(M)细胞层，初级视皮层(V1)，次级视觉区(V2和V4)及颞叶皮层等；小细胞通路的脑结构包括外侧膝状体的小(P)细胞层，初级视皮层(V1)，次级视觉区(V2和V3)，中颞叶皮层(MT)和顶叶皮层。

以往实验中，利用不同空间频率的简单图形作为视觉刺激验证了我们大脑中具有两条平行的视觉通路，然而，真实世界中不仅简单图形具有不同空间频率信息，复杂刺激也存在高低空间频率的不同。例如，我们生活中常见的人脸面孔，面孔的构型信息(即眉、眼、鼻、口之间的相对位置)和特征信息(即眉、眼、鼻、口等面部器官的形状)对于面孔识别能力非常重要。已有实验发现人类大脑对面孔特征和构型信息分别进行编码加工，而对面孔特征信息的加工依赖于高频空间信息，利用低频空间信息加工面孔构型信息更具优势。相关大脑机制研究发现，枕叶面孔区域(OFA)参与面孔特征信息的加工，但对面孔构型信息不敏感；羧状回面孔区域(FFA)对面孔的高频和低频空间信息具有独立加工的能力，说明FFA脑区中的神经元细胞对高、低空间频率的信号加工尚未整合。

然而，已有的对人类大脑处理面孔构型和特征信息的研究中存在以下问题：1)实验均为对单一脑区的研究，并未对视觉通路进行整体性研究，如视觉通路中不同脑区之间的功能连接，信号传递顺序和效率等；2)均采用非亚裔种族的面孔作为实验刺激，不适合对中国人的大脑功能进行研究。因为，人类的面孔识别能力具有‘异族效应’，即人们对于同种族面孔的识别和记忆能力强于对不同种族的面孔识别和记忆。因此，对于中国人面孔识别能力的研究应采用同种族的面孔作为实验刺激，才能准确的体现大脑对面孔信息的识别和加工能力。

发明内容

针对现有技术中的上述不足，本发明提供的大脑视觉通路对面孔空间频率处理的视觉刺激***，以解决上述不足的问题。

为了达到以上目的，本发明采用的技术方案为：

本方案提供大脑视觉通路对面孔空间频率处理的视觉刺激***，包括核磁共振仪、视觉刺激呈现模块以及分别与所述核磁共振仪连接的多媒体呈现模块、视觉刺激任务模块和视觉刺激实验模块，所述视觉刺激任务模块与所述视觉刺激实验模块连接；

所述核磁共振仪，用于记录被试者大脑接受视觉刺激时的血氧水平依赖BOLD信号；

所述多媒体呈现模块，用于显示被试者的视觉刺激信息；

所述视觉刺激呈现模块，用于记录被试者在视觉刺激中的按键反馈，并激发核磁共振扫描以及与视觉刺激任务模块和视觉刺激实验模块同步启动；

所述视觉刺激任务模块，用于根据被试者的视觉刺激任务数据以及同步记录的核磁共振fMRI大脑数据，并根据血氧动力学响应函数以及线性模型分析完成被试者视觉通路中感兴趣脑区ROI的个体化功能定位；所述视觉刺激任务包括：外侧膝状体M和P细胞层定位测试、视觉皮层定位测试以及面孔识别脑区的定位测试；

所述视觉刺激实验模块，用于根据以中国人脸为原型改变构型和特征的面孔识别任务测试数据，以及同步记录的核磁共振fMRI大脑数据，利用血氧动力学响应函数以及线性模型分析所述感兴趣脑区ROI的功能活性，并根据所述感兴趣脑区ROI的功能活性进行不同脑区之间的功能连接的分析。

进一步地，所述多媒体呈现模块包括分别与所述核磁共振仪连接的计算机、分别与所述核磁共振仪兼容的液晶显示装置和电源信号箱、位于所述核磁共振仪中头部线圈上的反射镜、反馈按键以及与所述反馈按键连接的反馈按键光纤。

再进一步地，所述外侧膝状体M和P细胞层定位测试，用于激活被试者外侧膝状体M细胞和P细胞的棋盘格刺激，并对被试者外侧膝状体M和P细胞层进行个体化的空间定位；

所述外侧膝状体M细胞和P细胞的棋盘格刺激均为全视野刺激，所述全视野刺激的直径视角为24°，刺激模式为组块模式；

所述外侧膝状体P细胞的棋盘刺激为红绿相间的高空间频率的棋盘格刺激，所述高空间频率为0.5周/度；

所述外侧膝状体M细胞的棋盘刺激为黑白相间的低空间频率的棋盘格刺激，所述低空间频率为0.25周/度。

再进一步地，所述视觉皮层定位测试，用于个体化定位被试者视觉皮层V1、V2、V3和V4脑区的黑白条栅刺激，且所述黑白条栅刺激在磁共振兼容的液晶显示装置上从左到右或从右到左依次出现，其中，每一黑白条栅刺激为非全视野刺激。

再进一步地，所述面孔识别脑区定位测试，用于定位被试者面孔识别脑区的面孔刺激，所述面孔刺激采用1-back工作记忆任务，并以组块形式进行刺激呈现，其中，所述面孔刺激的图片来源于中国人脸面孔图库。

再进一步地，所述面孔识别脑区定位测试还包括风景刺激组块。

基于上述***，本发明还公开了大脑视觉通路对面孔空间频率处理的视觉刺激方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、将被试者送入核磁共振扫描室，佩戴入耳式耳塞并平躺于扫描床上，安装头部线圈和头部线圈反光镜，以及将反馈按键放置于被试者手边，并将被试者送入扫描仪中，调整被试者头上的头部线圈上反射镜的位置，保证液晶显示器上呈现的内容在被试视野范围内；

S2、对被试者进行脑结构及脑功能的扫描，并按顺序对被试者进行外侧膝状体M和P细胞层、视觉皮层以及面孔识别脑区三个不同的脑功能定位测试，同时同步进行核磁共振扫描以及记录被试者的按键反馈，获取被试者的磁共振fMRI功能定位数据；

S3、根据所述磁共振fMRI功能定位数据，利用血氧动力学响应函数以及线性模型分析得到感兴趣脑区ROI；

S4、将面孔构型和面孔特征图片作为被试者的视觉刺激图片，并利用所述视觉刺激图片对被试者进行面孔识别任务测试，同时记录被试者的按键反馈情况以及被试者大脑的核磁共振fMRI数据，并根据其记录的核磁共振fMRI数据利用血氧动力学响应函数以及线性模型分析所述感兴趣脑区ROI的功能活性；

S5、根据所述感兴趣脑区ROI的功能活性进行不同脑区之间的功能连接分析，并根据分析结果完成对被试者的视觉刺激。

进一步地，所述步骤S4中将面孔构型和面孔特征图片作为被试者视觉刺激图片包括以下步骤：

A1、以中国人脸为原型，建立椭圆面孔模型作为统一脸部轮廓，并提取每张图片的五官信息；

A2、将所述五官信息与统一脸部轮廓结合形成完整的人脸图片作为面孔原型，并对眼睛和嘴巴的位置进行调整，由同一面孔原型生成不同构型的面孔图片；

A3、将同一面孔原型中的眼睛和嘴巴由其他人脸的对应五官进行替换，生成不同面孔特征的面孔图片；

A4、将所述不同面孔特征的面孔图片以及不同构型的面孔图片，作为被试者视觉刺激图片。

再进一步地，所述步骤A4中视觉刺激图片的大小调整方法具体为：

根据在核磁共振扫描室中被试者眼睛到投影用的液晶显示装置之间的距离，调整视觉刺激图片的大小，并将其控制在被试者视野范围的10°以内，且保证面孔视觉刺激在视野范围的中心位置。

再进一步地，所述步骤S4中面孔识别任务测试具体为：

利用延迟匹配样本任务以及交替组块模式，将面孔构型和面孔特征图片在不同的组块中呈现，并让被试者利用反馈按键判断连续出现的两张视觉刺激图片中后一张是否与前一张相同，若相同，则用右手食指按下反馈键1，否则，用右手中指按下反馈键2，并进入步骤S5。

本发明的有益效果：

(1)本发明有效地避免了面孔识别中的‘异族效应’：因为面孔识别具有‘异族效应’，即人们对于同种族面孔的识别和记忆能力强于对不同种族的面孔识别和记忆，因此，对于面孔识别能力的研究应该应用同种族的面孔作为实验刺激，才能准确的体现大脑面孔识别能力。本发明中将所有面孔图片刺激利用中国人脸为原型，对面孔进行构型和特征改变，形成两组不同的刺激图片，用于研究中国人视觉***对面孔构型改变和特征改变的识别能力，以及相对应的大脑通路的反应，避免了用其它种族人脸图像刺激所产生的‘异族效应’；

(2)本发明中功能性脑区定位任务包括不同空间频率的棋盘格刺激对外侧膝状体，利用条栅刺激对视觉皮层(V1-V4)，以及利用面孔和风景图片作为刺激的1-back工作记忆任务对面孔识别脑区进行定位，因为人类大脑个体间差异巨大，根据脑图谱进行结构性定位的方法缺乏脑区定位准确性，本发明利用特异性视觉刺激对研究的感兴趣脑区进行个体化功能性定位，使定位结果更加准确；

(3)本发明针对视觉通路进行了***性研究，本发明考虑到相关视觉通路上的所有脑区，可以对视觉通路(包括外侧膝状体、视觉皮层以及面孔识别脑区)的信息处理能力进行***性的研究。由于以往的研究都是将不同的脑区功能分开进行研究，如研究外侧膝状体对不同空间频率物体的编码加工能力，面孔识别脑区的编码加工能力等，而本发明将研究***化，可以研究同一被试从低级脑区到高级脑区在对相同刺激(面孔构型和特征信息)进行编码加工时的反应，及视觉通路中神经信号传导的情况，并构建视觉通路神经信号传导通路模型，可以对大脑视觉***有更全面的认识；

(4)本发明可用于与磁共振扫描同步进行，具有磁共振脉冲自动同步启动程序的设置，可以准确的对刺激呈现时间和大脑反应时间进行对标，确保对大脑反应进行建模及分析的准确性；

(5)本发明可以应用于多种疾病的研究，例如应用于弱视和老年痴呆症等疾病患者的研究中，弱视或者常伴随面孔识别障碍，对弱视患者弱视眼和正常眼分别进行刺激，对比不同眼睛对应的视觉通路上的脑区活性差异，可以更准确的知道不同脑区在加工视觉信息时的作用，也为弱视疾病的诊治提供有利的科学依据；此外，老年痴呆症患者也伴随有视觉认知能力的下降，将此***应用于老年人面孔识别能力衰减的规律，有助于探索老年痴呆症等疾病的生物标记物；并且本发明可以有效的研究正常人和疾病患者对面孔信息的处理的异同，不仅能推进对人类视觉***本身的认识，也为人工智能领域人脸识别的发展和应用提供理论支持，具有广泛的应用前景。

附图说明

图1为本发明的***结构图。

图2为本发明中设备硬件连接示意图。

图3为本发明中高低空间频率刺激用于激活外侧膝状体的P和M细胞的示意图。

图4为本发明中定位视觉皮层V1-V4的条栅刺激示意图。

图5为本发明中面孔识别脑区定位任务示意图。

图6为本发明的方法流程图。

图7为本发明的实验流程图。

图8为本发明中面孔识别实验示意图。

具体实施方式

下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

实施例

本发明利用中国人脸作为视觉刺激，避免‘异族效应’：利用中国人脸为原型，对面孔进行构型和特征改变，形成两套不同的刺激图片，用于研究人类视觉***对面孔构型改变和特征改变的识别能力，以及相对应的大脑通路的反应。避免了用其它种族人脸图像刺激所产生的‘异族效应’；本发明利用特异性视觉刺激对研究的感兴趣脑区进行个体化功能性定位，避免了用脑图谱进行结构性定位带来的不准确性，功能性脑区定位实验包括不同空间频率的棋盘格刺激对于外侧膝状体，条栅刺激对于视觉皮层(V1-V4)，以及原始面孔图片作为刺激的1-back工作记忆任务对于面孔识别脑区进行定位；本发明考虑到视觉通路上的所有相关脑区，可以对视觉通路(包括外侧膝状体、初级视皮层、视觉联合皮层以及面孔识别脑区)的信息处理能力进行***性的研究,并可有效的研究正常人和疾病患者对面孔信息处理的异同，在推进对人类视觉***本身的认识的同时，可以为人工智能领域人脸识别的应用提供理论支持，具有广泛的应用前景；本发明可用于与磁共振扫描同步进行，具有磁共振脉冲自动同步启动程序的设置，可以准确的对刺激呈现时间和大脑反应时间进行对标，确保对大脑反应进行建模及分析的准确性。

如图1所示，本发明提供了大脑视觉通路对面孔空间频率处理的视觉刺激***，包括核磁共振仪、视觉刺激呈现模块以及分别与核磁共振仪连接的多媒体呈现模块、视觉刺激任务模块和视觉刺激实验模块，视觉刺激任务模块与视觉刺激实验模块连接；核磁共振仪，用于记录被试者大脑接受视觉刺激时的血氧水平依赖BOLD信号；多媒体呈现模块，用于显示被试者的视觉刺激信息；视觉刺激呈现模块，用于记录被试者在视觉刺激中的按键反馈，并激发核磁共振扫描以及与视觉刺激任务模块和视觉刺激实验模块同步启动；视觉刺激任务模块，利用被试者的视觉刺激任务数据以及视觉刺激任务中同步记录的核磁共振fMRI大脑数据，利用血氧动力学响应函数以及线性模型分析完成被试者视觉通路中感兴趣脑区ROI的个体化功能定位；视觉刺激任务包括：外侧膝状体M和P细胞层定位测试、视觉皮层定位测试以及面孔识别脑区的定位测试；视觉刺激实验模块，用于根据以中国人脸为原型改变构型和特征的面孔识别任务测试数据，以及同步记录的核磁共振fMRI大脑数据，利用血氧动力学响应函数以及线性模型分析所述感兴趣脑区ROI的功能活性，并根据感兴趣脑区ROI的功能活性进行不同脑区之间的功能连接的分析。

多媒体呈现模块包括分别与核磁共振仪连接的计算机、分别与核磁共振仪兼容的液晶显示装置和电源信号箱、位于核磁共振仪中头部线圈上的反射镜、反馈按键以及与反馈按键连接的反馈按键光纤。

本实施例中，如图2所示，所有程序由MATLAB兼容的Psychotoolbox软件包实现，包括刺激呈现，做出按键反应的反馈记录，如反应时、正确率和错误率等。此***同时适用于磁共振功能扫描，即在完成以下认知任务的同时对大脑进行磁共振扫描记录大脑反应信号，磁共振扫描记录和任务刺激呈现可以做到精确同步进行。

本实施例中，如图3所示，外侧膝状体M和P细胞层定位测试，用于激活被试者外侧膝状体M细胞和P细胞的棋盘格刺激，并对被试者外侧膝状体M和P细胞层进行个体化的空间定位；外侧膝状体M细胞和P细胞的棋盘格刺激均为全视野刺激，直径视角为24°，刺激模式为组块模式；外侧膝状体P细胞的棋盘刺激为红绿相间的高空间频率的棋盘格刺激，高空间频率为0.5周/度；外侧膝状体M细胞的棋盘刺激为黑白相间的低空间频率的棋盘格刺激，低空间频率为0.25周/度。每个组块16s，每组块刺激中间有呈现红色或者绿色的注视点，红色和绿色随机变化，被试需要在注视点颜色变化时做出按键反应，此任务的设置目的为确保受试者在实验过程中对刺激物保持视觉注意。

本实施例中，如图4所示，视觉皮层定位测试，用于个体化定位被试者视觉皮层V1、V2、V3和V4脑区的黑白条栅刺激，且黑白条栅刺激在磁共振兼容的液晶显示装置上从左到右或从右到左依次出现，其中，每一黑白条栅刺激为非全视野刺激。

本实施例中，面孔识别脑区定位测试：如图5所示，用于定位面孔识别脑区(包括梭状回面孔脑区FFA，枕叶面孔脑区OFA等)的面孔刺激程序。面孔图片刺激来自中国人脸面孔图库，实验采用1-back工作记忆任务，以组块形式进行刺激呈现，面孔刺激图片连续出现，受试者需判断当前呈现的面孔图片是否与前一张相同，以激活用于面孔识别的脑区。完成任务的同时进行磁共振功能扫描，可以个体化的定位出大脑对面孔刺激做出反应的脑区，测试中除面孔刺激组块外，还有风景刺激组块，作为大脑反应的对照刺激，通过对比分析更准确的定位特异性的在面孔识别中发挥作用的脑区，以排除对任务图片刺激具有普遍激活的脑区。

基于上述***，本发明提供了大脑视觉通路对面孔空间频率处理的视觉刺激方法，如图6-7所示，其实现方法如下：

S1、将被试者送入核磁共振扫描室，佩戴入耳式耳塞并平躺于扫描床上，安装头部线圈和头部线圈反光镜，并将反馈按键放置于被试者手边，将被试者送入扫描仪中，并调整被试者头上的头部线圈上反射镜位置，保证液晶显示器上呈现的内容在被试者的视野范围内；

S2、对被试者进行脑结构及脑功能的扫描，并按顺序对被试者进行外侧膝状体M和P细胞层、视觉皮层以及面孔识别脑区三个不同的脑功能定位测试，同时同步进行磁共振扫描以及记录被试者的按键反馈，获取被试者的磁共振fMRI功能定位数据；

S3、根据磁共振fMRI功能定位数据，利用血氧动力学响应函数以及线性模型分析得到感兴趣脑区ROI；

S4、将面孔构型和面孔特征图片作为被试者的视觉刺激图片，并利用所述视觉刺激图片对被试者进行面孔识别任务测试，同时记录被试者的按键反馈情况以及被试者大脑的核磁共振fMRI数据，并根据其记录的核磁共振fMRI数据利用血氧动力学响应函数以及线性模型分析所述感兴趣脑区ROI的功能活性；

将面孔构型和面孔特征图片作为被试者视觉刺激图片，其实现方法如下：

A1、利用Rhino软件建立椭圆面孔模型作为统一脸部轮廓，并提取每张图片的五官信息；

A2、将五官信息与统一脸部轮廓结合形成完整的人脸图片作为面孔原型，并对眼睛和嘴巴的位置进行调整，由同一面孔原型生成不同构型的面孔图片；

A3、将同一面孔原型中的眼睛和嘴巴由其他人脸的对应五官进行替换，生成不同面孔特征的面孔图片；

A4、将不同面孔特征的面孔图片以及不同构型的面孔图片，作为被试者视觉刺激图片；

利用线性模型分析的表达式如下：

y＝Xβ+ε

其中，y表示观测数据，即核磁共振fMRI记录的血氧水平依赖BOLD信号值，X表示设计矩阵，β表示对应在X矩阵中的比重参数，ε表示残差。

本实施例中，面孔构型改变和特征改变的图片：首先，以中国人脸中性情绪正面图片为原型，利用Rhino软件建立椭圆面孔模型作为统一脸部轮廓，并提取每张图片的五官信息，包括眼睛、鼻子和嘴巴。其次，利用Photoshop软件将五官与脸部轮廓模型结合形成完整的人脸图片作为面孔原型，并对眼睛和眼睛位置进行手动量化调整，包括扩大和减小双眼之间距离，同时上移或下移嘴巴的位置，由此，可由同一原型面孔生成另外四张不同构型的面孔刺激(即改变1为扩大眼间距，下移嘴巴；改变2为扩大眼间距，上移嘴巴；改变3为缩小眼间距，下移嘴巴；改变4为缩小眼间距，上移嘴巴)；此外，将同一面孔原型中的眼睛和嘴巴由其他人脸的对应五官进行替换，生成另外四张不同面孔特征的图片，如图8A所示，图8A为面孔特征和构型改变的刺激图片示意图。所有图片刺激由于采用了统一的脸部轮廓，具有相同的亮度和对比度，可以避免被试将图片的亮度和对比度差异作为实验判断的因素。

本实施例中，图片刺激大小调整：根据磁共振扫描室里被试眼睛到投影用液晶显示装置之间的距离，调整面孔刺激图片大小，控制视觉图片对于被试所呈现的视野范围，固定视角在10°以内，且确保面孔视觉刺激在视野中心位置。

本实施例中，实验采用延迟匹配样本任务(Delayed match to sample task,DMS)，利用软件***给被试呈现一系列面孔图片，让被试按键判断两张连续出现的面孔图片里后呈现的面孔图片是否与前一张相同。实验设计采用组块设计模式，将构型改变的面孔刺激和特征改变的面孔刺激在不同的组块中呈现，并且采用不同组块交替进行的设计，即RABBARBAAB设计(A代表呈现面孔构型改变刺激的组块，B代表呈现面孔特征改变刺激的组块)所图8B所示,图8B为面孔识别任务示意图，降低被试大脑的刺激适应性。刺激图片呈现时间为500ms，两刺激间隔在屏幕中央呈现黑白雪花点图片，呈现时间为700ms，第二张面孔呈现后紧跟的“+”，呈现时间为1200ms，给予被试充分的时间做出判断反应，如图8C所示，图8C为延迟匹配任务示意图。两刺激中间的雪花点图片呈现目的为去除被试视后像效应，即由前一张图片呈现所留下的视觉残留现象。被试被告知在实验过程中始终盯住屏幕中间的位置，确保被试注意力集中且减少眼动的发生。

S5、根据所述感兴趣脑区ROI的功能活性进行不同脑区之间的功能连接分析，并根据分析结果完成对被试者的视觉刺激，如ROI-to-ROI，ROI-to-Whole Brain，独立成分分析(ICA)及动态因果模型dynamic causal modelling(DCM)分析等。

综上所述，本发明为了更好的对大脑的面孔加工能力进行***性研究。首先根据不同脑区的特性，采用不同的视觉刺激对其进行激活，并同时采集核磁共振fMRI BOLD信号，通过数据分析精确定位出不同个体大脑视觉通路中相应的感兴趣脑区，如LGN的M和P细胞层，视觉皮层V1-V4脑区以及对面孔进行加工的OFA和FFA脑区，以便在面孔构型和特征识别任务中对不同感兴趣脑区的功能及功能连接进行研究；其次，为避免异族效应，本发明利用中国人面孔作为原型，通过专业制图软件，生成了8组面孔构型改变和8组面孔特征改变的刺激图片，面孔构型的改变，通过改变双眼眼距，及嘴巴和眼睛之间的距离生成一组不同面孔构型改变的图片刺激；同时，面孔特征的改变是通过替换人脸原型中的眼睛和嘴巴构成一组面孔特征改变的图片刺激。此外，在呈现刺激图片的同时进行核磁共振扫描，记录大脑全脑的反应信号，包括视觉通路上所有脑区的信号，可以通过后期分析计算解析大脑视觉通路在对面孔不同信息进行加工时的功能及功能连接的情况。

本发明可为临床中研究疾病患者大脑对面孔识别能力的异常，从而对疾病的诊治起到辅助作用；对正常人面孔识别能力脑功能的揭示可为面孔识别人工智能及应用提供依据和帮助。

Claims (10)

1.大脑视觉通路对面孔空间频率处理的视觉刺激***，其特征在于，包括核磁共振仪、视觉刺激呈现模块以及分别与所述核磁共振仪连接的多媒体呈现模块、视觉刺激任务模块和视觉刺激实验模块，所述视觉刺激任务模块与所述视觉刺激实验模块连接；

所述核磁共振仪，用于记录被试者大脑接受视觉刺激时的血氧水平依赖BOLD信号；

所述多媒体呈现模块，用于显示被试者的视觉刺激信息；

所述视觉刺激呈现模块，用于记录被试者在视觉刺激中的按键反馈，并激发核磁共振扫描以及与视觉刺激任务模块和视觉刺激实验模块同步启动；

所述视觉刺激任务模块，用于根据被试者的视觉刺激任务数据以及同步记录的核磁共振fMRI大脑数据，利用血氧动力学响应函数以及线性模型分析被试者视觉通路中感兴趣脑区ROI的个体化功能定位；所述视觉刺激任务包括：外侧膝状体M和P细胞层定位测试、视觉皮层定位测试以及面孔识别脑区的定位测试；

所述视觉刺激实验模块，用于根据以中国人脸为原型改变构型和特征的面孔识别任务测试数据，以及同步记录的核磁共振fMRI大脑数据，利用血氧动力学响应函数以及线性模型分析所述感兴趣脑区ROI的功能活性，并根据所述感兴趣脑区ROI的功能活性分析不同脑区之间的功能连接，其中，根据所述感兴趣脑区ROI的功能活性，利用动态因果模型DCM分析不同脑区之间的功能连接。

2.根据权利要求1所述的大脑视觉通路对面孔空间频率处理的视觉刺激***，其特征在于，所述多媒体呈现模块包括分别与所述核磁共振仪连接的计算机、分别与所述核磁共振仪兼容的液晶显示装置和电源信号箱、位于所述核磁共振仪中的头部线圈上的反射镜、反馈按键以及与所述反馈按键连接的反馈按键光纤。

3.根据权利要求1所述的大脑视觉通路对面孔空间频率处理的视觉刺激***，其特征在于，所述外侧膝状体M和P细胞层定位测试，用于激活被试者外侧膝状体M细胞和P细胞的棋盘格刺激，并对被试者外侧膝状体M和P细胞层进行个体化的空间定位；

所述外侧膝状体M细胞和P细胞的棋盘格刺激均为全视野刺激，所述全视野刺激的直径视角为24°，刺激模式为组块模式；

所述外侧膝状体P细胞的棋盘刺激为红绿相间的高空间频率的棋盘格刺激，所述高空间频率为0.5周/度；

所述外侧膝状体M细胞的棋盘刺激为黑白相间的低空间频率的棋盘格刺激，所述低空间频率为0.25周/度。

4.根据权利要求2所述的大脑视觉通路对面孔空间频率处理的视觉刺激***，其特征在于，所述视觉皮层定位测试，用于个体化定位被试者视觉皮层V1、V2、V3和V4脑区的黑白条栅刺激，且所述黑白条栅刺激在磁共振兼容的液晶显示装置上从左到右或从右到左依次出现，其中，每一黑白条栅刺激为非全视野刺激。

5.根据权利要求1所述的大脑视觉通路对面孔空间频率处理的视觉刺激***，其特征在于，所述面孔识别脑区定位测试，用于定位被试者面孔识别脑区的面孔刺激，所述面孔刺激采用1-back工作记忆任务，并以组块形式进行刺激呈现，其中，所述面孔刺激的图片来源于中国人脸面孔图库。

6.根据权利要求5所述的大脑视觉通路对面孔空间频率处理的视觉刺激***，其特征在于，所述面孔识别脑区定位测试还包括风景刺激组块。

7.大脑视觉通路对面孔空间频率处理的视觉刺激方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、将被试者送入核磁共振扫描室，佩戴入耳式耳塞并平躺于扫描床上，安装头部线圈和头部线圈反光镜，以及将反馈按键放置于被试者手边，并将被试者送入扫描仪中，调整被试者头上的头部线圈上反射镜位置，保证液晶显示器上呈现的内容在被试者的视野范围内；

S2、对被试者进行脑结构及脑功能的扫描，并按顺序对被试者进行外侧膝状体M和P细胞层、视觉皮层以及面孔识别脑区三个不同的脑功能定位测试，同时同步进行核磁共振扫描以及记录被试者的按键反馈，获取被试者的磁共振fMRI功能定位数据；

S3、根据所述磁共振fMRI功能定位数据，利用血氧动力学响应函数以及线性模型分析得到感兴趣脑区ROI；

S4、将面孔构型和面孔特征图片作为被试者的视觉刺激图片，并利用所述视觉刺激图片对被试者进行面孔识别任务测试，同时记录被试者的按键反馈情况以及被试者大脑的核磁共振fMRI数据，并根据其记录的核磁共振fMRI数据利用血氧动力学响应函数以及线性模型分析所述感兴趣脑区ROI的功能活性；

S5、根据所述感兴趣脑区ROI的功能活性进行不同脑区之间的功能连接分析，并根据分析结果完成对被试者的视觉刺激，其中，根据所述感兴趣脑区ROI的功能活性，利用动态因果模型DCM分析不同脑区之间的功能连接。

8.根据权利要求7所述的大脑视觉通路对面孔空间频率处理的视觉刺激方法，其特征在于，所述步骤S4中将面孔构型和面孔特征图片作为被试者视觉刺激图片的方法具体包括以下步骤：

A1、以中国人脸为原型，建立椭圆面孔模型作为统一脸部轮廓，并提取每张图片的五官信息；

A2、将所述五官信息与统一脸部轮廓结合形成完整的人脸图片作为面孔原型，并对眼睛和嘴巴的位置进行调整，由同一面孔原型生成不同构型的面孔图片；

A3、将同一面孔原型中的眼睛和嘴巴由其他人脸的对应五官进行替换，生成不同面孔特征的面孔图片；

A4、将所述不同面孔特征的面孔图片以及不同构型的面孔图片，作为被试者视觉刺激图片。

9.根据权利要求8所述的大脑视觉通路对面孔空间频率处理的视觉刺激方法，其特征在于，所述步骤A4中视觉刺激图片的大小调整方法具体为：

根据在核磁共振扫描室中被试者眼睛到投影用的液晶显示装置之间的距离，调整视觉刺激图片的大小，并将其控制在被试者视野范围的10°以内，且保证面孔视觉刺激在视野范围的中心位置。

10.根据权利要求7所述的大脑视觉通路对面孔空间频率处理的视觉刺激方法，其特征在于，所述步骤S4中面孔识别任务测试具体为：

利用延迟匹配样本任务以及交替组块模式，将面孔构型和面孔特征图片在不同的组块中呈现，并让被试者利用反馈按键判断连续出现的两张视觉刺激图片中后一张是否与前一张相同，若相同，则用右手食指按下反馈键1，否则，用右手中指按下反馈键2，并进入步骤S5。

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