Nature Neuroscience
2月龄婴儿腹侧颞叶皮层已具备丰富视觉类别表征

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该研究通过大规模清醒婴儿fMRI揭示，2月龄婴儿腹侧视觉皮层已存在成熟的视觉类别表征，且发展非遵循自下而上的层级模式，为早期视觉认知发展提供了全新神经证据。

 

文献概述

本文《Infants have rich visual categories in ventrotemporal cortex at 2 months of age》，发表于《Nature Neuroscience》杂志，回顾并总结了婴儿视觉系统在生命早期的神经表征发展轨迹。研究团队利用清醒状态下功能性磁共振成像（fMRI）技术，对超过100名2月龄和9月龄婴儿进行纵向扫描，系统分析了腹侧视觉皮层对常见物体类别的神经响应模式。结果表明，早在2月龄时，腹侧颞叶皮层已表现出对动画、小尺寸无生命物和大尺寸无生命物等高级视觉类别的选择性响应，且这种表征结构与深度神经网络模型高度对齐。该研究挑战了传统视觉发展理论中“自下而上”的层级加工假设，提出高级视觉功能可能在出生后极短时间内即具备初步组织结构。研究还发现，侧枕叶（LO）区域的类别表征发育较晚，进一步支持非层级化的发展路径。整段通顺、有逻辑，结尾用中文句号，段落结尾使用

背景知识

人类视觉系统在出生后第一年内迅速发展，支持对物体的识别与分类，这是语言与认知发展的基石。传统理论认为，视觉处理遵循从低级特征（如边缘、颜色）到高级语义（如类别、身份）的层级加工路径，即“自下而上”发展。然而，行为研究表明，婴儿在数月内即可表现出对物体类别的敏感性，提示高级视觉功能可能早期即存在。尽管脑电图（EEG）和脑磁图（MEG）研究提示类别响应的阶段性出现，但其空间分辨率有限，难以区分腹侧视觉通路中不同区域的功能差异。近年来，清醒婴儿fMRI技术的进步为直接观察婴儿大脑功能组织提供了可能。深度神经网络（DNN）作为当前最成功的视觉计算模型，已被广泛用于模拟成人视觉皮层的表征结构。然而，DNN是否适用于发展早期的大脑，以及婴儿大脑是否已具备复杂特征编码能力，尚不清楚。本研究通过结合大规模清醒fMRI与计算建模方法，系统刻画了腹侧视觉通路在2至9月龄间的发育轨迹，旨在揭示视觉类别表征的神经基础及其发展机制。该研究填补了早期视觉神经表征的空白，为理解人类认知起源提供了关键证据。段落结尾使用

 

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研究方法与实验

研究采用纵向设计，对130名2月龄和65名9月龄婴儿进行清醒状态下的fMRI扫描，其中101名2月龄和44名9月龄婴儿的数据可用于分析。刺激材料包括12个常见视觉类别（如狗、奶瓶、车等），每类包含3个不同视角的示例，涵盖动画、小尺寸无生命物和大尺寸无生命物三大类。fMRI数据经严格预处理（包括头动校正、畸变校正、标准化和信号去噪）后，使用全脑线性模型（GLM）估计每个试次的血氧水平依赖（BOLD）响应。在腹侧视觉皮层（VVC）和早期视觉皮层（EVC）等区域定义了多个感兴趣区（ROI），通过多体素模式分析（MVPA）构建表征相似性矩阵（RSM），量化不同刺激间的神经响应模式差异。同时，使用AlexNet等深度神经网络模型对相同图像进行前向传播，提取各层激活值并构建模型RSM。通过表征相似性分析（RSA），将婴儿和成人fMRI数据的RSM与DNN各层RSM进行比对，评估模型对大脑表征的解释力。此外，研究还构建了基于感知特征（如大小、长宽比、颜色）和语义类别（如动画性、现实尺寸）的模型RSM，以区分不同特征对神经表征的贡献。

关键结论与观点

• 2月龄婴儿的腹侧视觉皮层（VVC）已表现出对视觉类别的选择性神经响应，且该表征在9月龄时进一步精细化，表明高级视觉功能在生命早期即已存在
• 腹侧视觉通路的类别表征在2月龄时已与成人相似，且随年龄发展持续成熟，尽管此时婴儿尚未表现出明确的行为分类能力
• 侧枕叶（LO）区域在2月龄时未表现出可靠的类别或动画性组织，其表征成熟明显晚于腹侧区域，揭示视觉类别表征的发展并非遵循自下而上的层级顺序
• 深度神经网络（DNN）模型，尤其是经过监督或自监督训练的模型，能够有效解释婴儿VVC的神经表征，表明机器学习中用于分类的复杂特征已在2月龄婴儿大脑中编码
• 婴儿VVC的神经响应不仅受低级视觉特征影响，更显著地由语义类别（如动画性、现实尺寸）驱动，且这种高级组织在2月龄时已初具雏形
• 研究结果支持“非层级化”视觉发展理论，即高级视觉功能可能在早期即具备粗略组织，随后通过经验进行精细化调优，而非从简单特征逐步构建复杂表征

研究意义与展望

该研究通过大规模清醒fMRI揭示了婴儿视觉系统在出生后两个月内即具备高级视觉类别表征能力，挑战了传统“自下而上”的视觉发展模型。结果表明，腹侧视觉通路在生命早期已具备区分动画与无生命物、大尺寸与小尺寸物体的能力，这种高级功能的早期存在可能为语言习得和认知发展提供神经基础。研究还发现LO区域发育滞后，提示不同视觉区域可能遵循独立的成熟轨迹，这可能与LO涉及更高级的认知功能（如注意力、动作意图）有关，需更多经验积累。

未来研究可进一步探索这种早期视觉表征的先天与后天因素。是基因预设的结构支持快速类别学习，还是出生后极短时间的视觉输入即可塑造此类表征？结合计算模型与发育神经科学，可帮助构建更真实的视觉发展理论。此外，研究结果为理解自闭症等神经发育障碍中的视觉加工异常提供了新视角，早期视觉系统是否正常组织可能影响后续社会认知发展。该工作展示了清醒婴儿fMRI与DNN建模结合的强大潜力，为研究人类认知起源开辟了新路径。

 

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结语

本研究通过大规模纵向清醒fMRI研究，系统揭示了人类婴儿腹侧视觉皮层在2月龄时已具备对视觉类别的丰富神经表征。研究发现，腹侧颞叶区域能够区分动画、小尺寸和大尺寸物体，且这种高级表征与深度神经网络模型高度相似，表明复杂视觉功能在生命极早期即已存在。令人惊讶的是，这种高级表征的出现早于侧枕叶（LO）区域的成熟，挑战了传统“自下而上”的层级发展理论，支持非层级化的视觉系统发育模式。研究结果表明，婴儿大脑并非从零开始构建视觉系统，而是可能具备先天倾向或快速学习机制，使高级视觉功能在出生后短时间内迅速组织。这一发现不仅深化了对人类视觉认知起源的理解，也为计算模型提供了新的发展约束。未来研究可进一步探索该表征的先天基础及其在神经发育障碍中的变异，为早期干预提供神经标记。总之，该工作标志着发展认知 neuroscience 的重要进展，展示了早期大脑的复杂性与可塑性。

 

Cliona O’Doherty, Áine T Dineen, Anna Truzzi, Eleanor J Molloy, and Rhodri Cusack. Infants have rich visual categories in ventrotemporal cortex at 2 months of age. Nature Neuroscience.