P089 Nat Commun | 探秘大脑的“未卜先知”：注意力如何在事件发生前重塑视觉世界

来源：公众号 PSY-Brain_Frontier ｜ 发布：2025-10-14 ｜ 原文链接

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基本信息

Title:Spatial attention selectively alters visual cortical representation during target anticipation

发表时间：2025.10.1

Journal：Nature Communications

影响因子：15.7

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引言：眼未动，心已至？

我们通常将“注意”比作一盏聚光灯，照亮心中所想、眼中所见，帮助我们从纷繁复杂的世界中筛选出重要信息。但这盏灯，或许比我们想象的更神奇。它不仅能照亮“当下”，更能“预见”未来。想象一下，如果这盏聚光灯不仅能照明，还能像一位先知，预测到舞台上下一秒主角将出现的位置，并提前将那片区域的光线、焦点、甚至布景都调整到最佳状态。这，就是我们大脑中注意力的真正力量——一种主动的、预测性的强大机制。

我们的大脑处理能力有限，无法同时精细加工视野中的所有信息。因此，注意力系统必须进行优先级排序，以确保我们能高效、灵活地与环境互动。但大脑究竟是如何实现这种“未卜先知”的？在我们全神贯注地等待一个重要事件（比如，等待绿灯亮起、在人群中寻找朋友的身影）发生前的寂静片刻，我们的视觉系统内部究竟发生了怎样的“排兵布阵”？这个过程长期以来是神经科学中的一个谜。

近日，发表于《自然·通讯》（Nature Communications）的一项研究，由纽约大学的 Ekin Tünçok 及其合作者完成，为我们提供了一次前所未有的机会，得以“掀开引擎盖”，窥探大脑在预期阶段的精妙运作。这项研究不仅证实了注意力的预测能力，更以前所未有的精度，揭示了其背后深刻的神经调整机制。

省流总结

对于时间紧张的读者，以下是本研究最核心的发现：

• 行为层面： 专心致志地等待一个目标，会让你对它的出现变得异常敏感（收益），但代价是你几乎会完全忽略其他地方发生的事情（代价）。这是一种典型的“注意力权衡”。
• 神经层面： 在你等待目标出现时，大脑的视觉皮层已经悄然发生了两种深刻的改变：

1. 资源重新分配（基线偏移）： 负责处理目标所在位置的脑区神经活动被提前“充电”增强，而其他无关区域的活动则被主动“调暗”抑制。这种神经层面的“有增有减”完美地解释了行为上的“收益与代价”。
2. 神经元“站位”调整（位置偏移）： 神经元的“管辖范围”（即群体感受野，pRFs）会主动向你正在注意的位置“挪动”，仿佛一群士兵在重新布防。这种“挪动”在更高级的视觉脑区尤为明显。

• 核心结论： 空间注意并非一个被动的过滤器，而是一种主动的预期机制。它在目标实际出现之前，就通过“增强/抑制”和“位置偏移”这两种方式，重塑了视觉皮层的神经表征，为即将到来的信息处理做好了万全准备。

A schematic showing enhancement and suppression profiles of spatial attention relative to two different baseline conditions.

研究背景

在此项研究之前，科学家们已经清楚地知道，当一个视觉刺激出现时，空间注意能够极大地影响大脑的神经活动。这些影响主要表现为两种形式：

• 增强反应幅度 (Increased Amplitude)： 当你注意某个物体时，负责处理该物体的神经元会比平时更加兴奋，其放电活动（反应幅度）会显著增强。
• 改变感受野 (Altered Receptive Fields)： 注意力甚至可以改变神经元的感受野（即神经元负责监测的视觉空间区域）。感受野的中心位置会向被注意的物体偏移，大小也可能发生变化，这相当于大脑为了更好地处理目标而动态地“扭曲”了其内部的视觉地图。

然而，以往的研究存在一个关键的局限性：这些神经效应都是在刺激诱发的反应中测量的。在这种情况下，我们自上而下的意图（“我要看那个东西”）和刺激本身自下而上引发的神经活动是混合在一起的，难以区分彼此的独立贡献。

这就引出了一个悬而未决的核心问题：在没有任何任务相关刺激出现，纯粹由我们内在目标驱动的“预期阶段”，注意力的信号本身会对视觉皮层做什么？在目标出现之前，大脑是如何调整感受野特性和基础活动水平的？这正是本研究试图填补的知识空白，旨在分离并“净化”出注意力的纯粹预期信号，探究其最本质的作用机制。

研究问题

基于上述背景，本研究旨在回答一个核心问题：注意力究竟是视觉系统的“放大器”还是“建筑师”？ 换言之，它仅仅是增强已有神经信号，还是会主动重构神经表征本身？

具体而言，研究者们提出了以下几个精确的科学问题：

1. 在目标出现前的“预期阶段”，内源性空间注意（endogenous spatial attention）是如何系统性地改变人类视觉皮层（包括 V1, V2, V3, hV4, LO1, V3A/B 等多个脑区）的神经表征的？
2. 这种预期性注意是否会导致神经元群体感受野（pRF）的位置发生偏移，即扮演“建筑师”的角色，重绘视觉地图？
3. 这种预期性注意是否会引起与刺激本身无关的基线活动水平变化，即扮演“放大器”的角色，对注意位置进行增强，并对非注意位置进行抑制？
4. 这些神经层面的改变（幅度和位置）在视觉皮层的不同等级脑区之间是否存在差异，即是否存在一种层级效应？

实验设计

为了精准地回答这些问题，研究团队设计了一套精妙的同步心理物理学-功能磁共振成像（concurrent psychophysics-fMRI）实验范式，实现了对行为表现和大脑活动的同步测量。

1. 总体范式： 8名被试在 fMRI 扫描仪内完成一项高难度的视觉辨别任务，研究者则同步记录他们的行为反应和大脑血氧水平依赖（BOLD）信号。
2. 核心任务： 被试需要判断一个快速呈现的、低对比度的“Gabor”光栅（一种条纹图案）是顺时针还是逆时针倾斜的。任务难度经过预先校准，确保在没有注意力提示时，被试的基线正确率维持在 82% 左右。
3. 注意力操控： 这是实验设计的核心。在每个试次开始时，屏幕中央的十字会给出一个提示线索：

• 集中注意 (Focal Attention)： 在 80% 的试次中，十字的一条臂会变黑，明确指向四个可能出现 Gabor 的位置之一，要求被试将注意力集中于此。该线索有 75% 的有效性，因此听从提示是有利的。
• 分散注意 (Distributed Attention)： 在 20% 的试次中，十字的四条臂全部变黑，表示 Gabor 会等概率地出现在四个位置中的任何一个。这种情况要求被试分散注意力，它构成了衡量注意力“收益”与“代价”的至关重要的中性基线 。

4. 巧妙的试次流程 (见上图)：

• 线索 (300 ms)： 告知被试本轮应该注意哪里。
• 预期阶段 (1000 或 2000 ms)： 被试维持注意力在指定位置等待。此阶段是整个实验的精华所在：屏幕上会呈现一个与任务完全无关的 pRF 映射刺激（一个不断闪烁的条形图案）。这个刺激就像一个“神经探针”，它本身不重要，但它引发的大脑活动可以被 fMRI 捕捉到，从而让研究者得以测量在不同注意力状态下，视觉皮层的“地图”和“基线活动”是怎样的。
• 目标呈现 (100 ms)： 四个 Gabor 图案同时短暂出现。
• 反应： 最终的反应线索出现，告知被试报告四个 Gabor 中哪一个的朝向，被试据此按键作答。

通过这种设计，研究者能够精确测量在不同注意力条件下（集中-有效、集中-无效、分散-中性）的行为表现（敏感度 d′ 和反应时间），并利用“神经探针”（pRF 映射刺激）引发的 BOLD 信号，来揭示在纯粹的预期阶段，视觉皮层发生了何种内在变化。

Trial-based analysis of functional time series data.

核心发现

该研究的发现清晰地勾勒出一条从行为到神经的完整证据链，系统地揭示了预期性注意力的作用机制。

1. 行为发现：注意力“收益”与“代价”的精确量化

实验结果首先在行为层面验证了注意力操控的有效性，并呈现出典型的选择性加工权衡（selective processing tradeoff）。

• 注意力的收益 (Benefit)： 与分散注意的中性条件相比，当注意力被有效提示到目标位置时，被试的知觉敏感度（d′）提升了一倍以上（从 1.6 飙升至 4.0）。这意味着集中注意极大地增强了对目标信息的处理能力。
• 注意力的代价 (Cost)： 相反，当目标意外出现在未被提示的位置时（无效提示），被试的敏感度急剧下降，甚至不到中性基线的三分之一（从 1.6 降至 0.5）。这表明，将认知资源投入到一个地方，必然会从其他地方撤走资源。

这些行为数据为后续的神经发现提供了坚实的“地基”——大脑中发生的任何变化，都必须能够解释这种显著的“收益-代价”权衡。

Behavioral sensitivity, reaction time, and gaze position as a function of cue validity.

2. 神经发现之一：大脑资源的“推-拉”效应 (Push-Pull)

fMRI 数据揭示，在目标出现前的预期阶段，视觉皮层的活动模式完美地复刻了行为上的权衡现象。这种变化是一种与刺激无关的基线偏移 (baseline shift) 。

Attentional response latency analysis.

• 推 (Push) - 增强： 相对于分散注意的基线，当被试集中注意于某一特定位置时，大脑皮层中负责表征该位置的区域，其 BOLD 信号显著增强。这相当于大脑提前“预充电”，为即将到来的任务做好了能量准备。
• 拉 (Pull) - 抑制： 与此同时，皮层中负责表征其他三个未被注意位置的区域，其 BOLD 信号则显著降低 。这是一种主动的抑制，仿佛大脑在说：“这些地方不重要，暂时关闭这里的资源供应，以防干扰。”

Spatially tuned effect of focal attention on BOLD amplitude.

• 层级效应： 有趣的是，虽然“增强”效应在从初级（V1）到高级（hV4）的视觉皮层中都比较稳定，但“抑制”效应却随着皮层等级的升高而变得越来越强。这暗示着，抑制无关信息可能是更高级视觉脑区的一项更专门、更重要的功能，这或许是两种由部分独立的神经环路所介导的机制。
• 作用机制： 进一步分析表明，这种注意力的调制是一种加性偏移 (additive shift)，即注意力像是在神经元的基线活动上增加或减去了一个固定的数值，而与“神经探针”刺激本身引发的反应强度无关。

The effect of focal attention as a function of the location of the mapping stimulus.

3. 神经发现之二：视觉地图的“动态重划”

研究的另一项惊人发现是，视觉皮层的神经表征地图并非一成不变，而是可以被注意力动态地“重划”的。

• pRF 中心偏移： 研究发现，神经元群体的感受野（pRF）中心会系统性地朝向被试正在注意的位置发生偏移 。这意味着，为了更精细地处理预期目标，一群神经元会暂时性地改变它们的“职责范围”，共同将“监控焦点”对准那个最重要的位置。
• 显著的层级效应： 这种 pRF 的位置偏移在初级视觉皮层（V1）中非常微小，几乎难以察觉。但随着信息处理层级的升高，这种偏移效应急剧增强，在 V3A/B 等高级脑区，偏移的幅度可达 V1 的十倍之多 。这揭示了一个重要规律：大脑的视觉表征地图越往高级处理阶段，其可塑性越强，越容易受到我们主观意图（注意力）的塑造。

pRF centers shift towards an attended location.

这个发现解答了“放大器 vs. 建筑师”的谜题。注意力不仅是放大器（通过基线偏移），更是一位积极的建筑师，通过移动 pRF 中心来重构神经表征，优化即将到来的信息处理。

A simulation of the BOLD response to the 49 mapping stimuli in V1 and hV4 for attending to the target at the left horizontal meridian, for pRFs centered at x,y location (−7°, 0°).

编辑部观点

1. 重新定义注意力：从被动过滤到主动预测

本研究最深刻的意义在于，它将我们对注意力的认知从一个被动的“信息过滤器”提升到了一个主动的“预测引擎”。大脑并非消极地等待外部信息涌入后再进行筛选，而是在接收信息之前，就依据我们的目标和预期，主动地、系统性地重构了整个初级感觉皮层。研究中观察到的基线活动变化和 pRF 位置偏移，正是这种“神经远见”（neural foresight）的具体体现。这表明，我们所体验到的“专注”，其本质是大脑内部一场精心策划的、面向未来的神经资源预部署。

2. 方法论的胜利：“中性基线”的奠基石作用

在方法学上，本研究巧妙地使用了“分散注意”作为中性基线，这是一个看似微小却至关重要的设计。正如作者在讨论中强调的，许多以往研究仅比较“注意这里”和“注意那里”两种状态，这使得我们无法真正区分一个位置的“增强”和另一个位置的“抑制”。通过引入一个真正的中性参照点，本研究首次在神经层面清晰地量化了注意力的“收益”（相对于中性基线的增强）和“代价”（相对于中性基线的抑制），从而完整地揭示了注意力背后“推-拉”机制的全貌。

3. 统一框架：注意力“双轨操作”模型

长期以来，学界对于注意力的作用方式存在争论：它究竟是加性地改变基线活动，还是乘性地改变反应增益（并导致位置偏移）？这项工作提供了一个优雅的统一框架，证明了至少在预期阶段，注意力是双轨并行的。它同时运用两种不同但互补的策略：

• 轨道一（宏观调控）： 通过一种广泛的、与刺激无关的基线偏移，来进行大规模的认知资源重新分配（增强目标，抑制干扰）。
• 轨道二（微观精调）： 通过一种更精细的、依赖于输入的增益调制（最终表现为 pRF 位置偏移），来精确地扭曲和优化局部神经表征地图。

这种“双轨模型”为我们理解自上而下的认知控制如何塑造底层神经活动，提供了一个更为全面和精妙的视角。它也为未来的研究指明了方向：注意力的机制可能是一个动态演化的过程。本研究完美地描绘了预期阶段的准备工作（基线和位置偏移），而当刺激真正到来时，或许第三种机制——反应增益（response gain）——才会登场，对已有的信号进行最终的乘性放大。未来的研究将继续探索这一迷人的时序动态过程。

Author information

第一作者:Ekin Tünçok

Department of Psychology, New York University, New York, NY, USA.

美国纽约州，纽约大学心理学系

通讯作者1:Jonathan Winawer

Department of Psychology, New York University, New York, NY, USA.

美国纽约州，纽约大学心理学系

Center for Neural Science, New York University, New York, NY, USA.

美国纽约州，纽约大学神经科学中心

通讯作者2:Marisa Carrasco

Department of Psychology, New York University, New York, NY, USA.

美国纽约州，纽约大学心理学系

Center for Neural Science, New York University, New York, NY, USA.

美国纽约州，纽约大学神经科学中心

Abstract

Attention enables us to efficiently and flexibly interact with the environment by prioritizing specific image locations and features in preparation for responding to stimuli. Using a concurrent psychophysics–fMRI experiment, we investigate how covert spatial attention modulates responses in human visual cortex before target onset and how it affects subsequent behavioral performance. Performance improves at cued locations and worsens at uncued locations compared to distributed attention, demonstrating a selective processing tradeoff. Pre-target BOLD responses in cortical visual field maps reveal two key changes: First, a stimulus-independent baseline shift, with increases near cued locations and decreases elsewhere, paralleling behavioral results. Second, a shift in population receptive field centers toward the attended location. Both effects increase in higher visual areas. Together, these findings reveal that spatial attention has large effects on visual cortex prior to target appearance, altering neural response properties across multiple visual field maps and enhancing performance through anticipatory mechanisms.

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本文解读基于：Spatial attention selectively alters visual cortical representation during target anticipation，Doi: 10.1038/s41467-025-63795-3                。核心图表、方法细节、统计结果与讨论见原文及其拓展数据。点击左下角 “阅读原文” 可跳转到论文源网站界面。

分享人：饭哥

审核：PsyBrain 脑心前沿编辑部

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