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IT Literature Intelligence 终审版本 (VERIFIED) 论文编号: 248 | 原始基线: V0_ZCODE_BASELINE | 语义审核: needs_revision | 图表审核: pass

The position and topography of the human colour centre as revealed by functional magnetic resonance imaging

McKeefry · Brain: A Journal of Neurology · 1997 · Zotero itemID=2318

这篇文章用 fMRI（functional magnetic resonance imaging，功能磁共振成像）的 BOLD 信号，在 12 名正常被试中以"彩色 Mondrian 图 vs 灰阶 Mondrian 图"的对比定位了人脑的"颜色中枢"（作者称之为 human V4），并首次通过分别刺激上、下半视野来检验它的视网膜拓扑组织（retinotopy）。它值得精读，因为它是把 19 世纪临床神经病学的色盲定位传统与 1990 年代功能成像直接接续起来的关键一环，而且正面回应了"人脑是否另有一个背侧 V4"这一当时的争论。

研究背景

"颜色在大脑里有专门中枢"这一想法最早来自临床：皮质损伤后出现获得性色盲（acquired achromatopsia，皮质性色盲）的病人提示颜色处理有独立的解剖基础。Verrey（1888）在对一例色盲患者做了病理检查后，把损伤定在舌回（lingual gyrus）和梭状回（fusiform gyrus），称之为"色觉中枢"；MacKay 和 Dunlop（1899）进一步把范围缩到梭状回。但这一发现有个不幸的副作用：它让当时的神经病学界误以为初级视皮质范围比纹状皮质更大、内部还有分区，而在驳斥这套学说的过程中，连"存在颜色中枢"这件事本身也一并被否定了，此后七十多年几乎无人再提。直到 Zeki（1973）在猴纹状体外皮质找到对颜色特化的 V4 区，这个话题才重新复活，色盲病例报告也随之增多。更关键的是，脑成像技术让研究者第一次能在没有病变污染的正常脑上确定颜色中枢的位置。

本实验室此前的 PET（positron emission tomography，正电子发射断层扫描）研究（Lueck et al., 1989）把颜色中枢定在舌回和梭状回，随后更细致的研究（Zeki et al., 1991）把重心移到梭状回，此后多项研究都确认了这个位置的激活。但缺口在于：Sereno 等（1995）用 fMRI 做视网膜拓扑测量（关心的是各视觉区的地图而非功能特化），提出在腹侧 V4 之外还有一个独立的"背侧 V4"（dorsal V4）。如果人脑确实有两个彼此分离的 V4 亚区，那么人 V4 的组织方式将与猴不同——猴 V4 中上、下视野的代表区是相邻相接的（Gattass et al., 1988）——这会间接支持"人与猴 V4 非同源"的观点（Merigan, 1993; Heywood et al., 1995）。此外，颜色中枢在个体间的位置变异有多大、它与个体沟回结构有什么稳定关系，此前也没有被逐一量化。这些正是本文要解决的问题。

研究思路

作者的总体策略是"功能定义 + 解剖对照"两条腿走路。先用全场刺激做彩色 Mondrian 与灰阶 Mondrian 的直接对比，把"对颜色特异激活"的区域在每个被试身上找出来，并给出其 Talairach 标准坐标，以量化个体间位置变异；再用同一套刺激限制在上或下三分之一视野分别呈现，检验这个腹侧区域是否同时包含上、下半野的代表（如果代表区分裂到背腹两处，半野刺激应当把激活"撕开"）。逻辑链是：功能上定义的颜色中枢 → 检查其视野完备性与拓扑顺序 → 再回到个体解剖，看功能激活与侧副沟—梭状回这一结构性标志是否稳定对应。之所以要做不做标准化的个体内配准分析（non-stereotactic coregistration），就是因为标准化会把个体差异抹平，而本文恰恰关心个体差异。

方法

被试为 12 名色觉正常的志愿者（9 男 3 女，平均年龄 29.16 岁），均签署知情同意。扫描在 2 T Siemens Vision 上进行：先采 T1 加权 MPRAGE 结构像（108 层，体素 1×1×1.5 mm），再用梯度回波平面成像（EPI, echo planar imaging）采集功能像（TR=6.084 s，TE=40 ms，64 个横断层面，体素 3×3×3 mm），该序列用以减少流入效应、最大化 BOLD（blood oxygenation level dependent，血氧水平依赖）对比。刺激由计算机生成、经液晶投影投到半透明屏上，被试通过 45° 反射镜注视；视野约 33°×23°，平均亮度 5 cd/m²。共有三种条件：八种颜色拼成的抽象彩色 Mondrian、结构相同但只含不同灰阶的灰阶 Mondrian、以及空白注视条件。彩色与灰阶 Mondrian 都以 1 Hz 方波"呈现 500 ms / 同平均亮度同色调的空白场 500 ms"的方式开关调制；扫描前用异色闪烁光度法（heterochromatic flicker photometry）逐色与标准灰以 15 Hz 交替、阶梯法调到最小闪烁，保证彩色刺激本身不含亮度对比。正式实验为区块设计：每种条件一个 30.4 s 的区块（5 个扫描），各重复 21 次，伪随机连续呈现，一次会话共采 315 个全脑体积、约 32 分钟（图 1、2）。

第二个实验用其中 6 名男性被试在另一天重复扫描，刺激限于主实验视野的上或下三分之一，形成上野彩色、上野灰阶、下野彩色、下野灰阶四种条件（上野彩色 vs 上野灰阶、下野彩色 vs 下野灰阶分别指示上、下半野的激活），共采 320 个体积（图 3）。数据用 SPM96 分析：先做六参数刚体头动校正并生成平均像，与 T1 结构像配准、按灰质/白质/脑脊液分割后再配准，然后归一化到 Talairach 空间（ICBM/NIH 模板），最后高斯平滑（标准化分析 8 mm、非标准化个体分析 4 mm 半高宽，见图 4）。统计用广义线性模型加高斯场理论，血流动力学响应用延迟 6 s 的 box-car 参考波形建模，低频漂移作为无兴趣协变量，按 Z 高度和簇大小设阈。归一化步骤在个体解剖对照分析中被省去：把非标准化的激活图与每位被试自己的 T1 像配准，并以侧副沟（collateral sulcus，按 Ono et al., 1990 的定义勾画）为标志，检验激活与沟回的关系。

主要结果

  1. 颜色刺激一致激活腹侧枕颞皮层的一个区，即 human V4，与初级视皮质分离。 12 名被试全部在腹侧枕颞皮层出现边界清晰的激活灶（10/12 为双侧）。激活模式分三种：最常见的是 V1/V2 与双侧腹侧 V4 同时激活（8 人）；其次只有双侧腹侧激活而无 V1（2 人）；再次是左侧腹侧单灶加 V1 激活（2 人）（图 5）。这确立了"颜色中枢独立于 V1"的功能学证据。

  2. human V4 的位置在个体间变异可观，但均值稳定。 以每个被试 V4 内最强激活体素的 Talairach 坐标计（表 1），变异最大的是前后方向（y 轴）：左半球可达 34 mm、右半球 30 mm；内外方向（x 轴）左 12 mm、右 16 mm（原文写"16 mm in the left"，疑为 right 之笔误），上下方向（z 轴）左 14 mm、右 16 mm。左半球平均坐标 (-29, -68, -14)，右半球 (30, -75, -19)。

  3. 群体平均下双侧对称激活，峰值 Z 分数高。 右 V4 峰值在 (30, -78, -18)、Z=8.05，激活范围 x 24–36、y -70 至 -82、z -12 至 -24；左 V4 峰值 (-26, -80, -14)、Z=7.99；V1/V2 峰值 (10, -90, 0)、Z=8.48（图 6，表 2）。激活区与枕极的 V1/V2 团块明显分离。

  4. 上、下半野的颜色代表都在腹侧 V4 内，且呈内—外拓扑排序；未见背外侧的独立颜色区。 全场数据分析已显示，V1 之外的颜色激活完全限于腹侧皮层，改为“在本范式和统计阈值下，未检出独立的背侧枕叶颜色相关激活灶。”半野实验进一步确认（图 7、8）：单被试中，上野刺激的距状皮质焦点位于距状裂下方（x=2, y=-76, z=2, Z=7.08），下野刺激的焦点位于其上方（x=-8, y=-98, z=12, Z=5.86），与纹状皮质的经典视野对应关系一致；群体水平上，上野在 V4 的激活为右 (28, -72, -12) Z=4.59、左 (-24, -76, -14) Z=4.61，下野为右 (38, -74, -20) Z=4.71、左 (-32, -76, -12) Z=4.71——上野代表更靠内侧、下野更靠外侧，两区相邻相接。

  5. 功能激活与个体解剖稳定对应：恒在侧副沟外侧的梭状回，几乎不侵入舌回。 在三个被试的非标准化配准图中，颜色激活灶总是紧邻侧副沟、典型地位于其外侧（即梭状回），未见向内侧舌回的明显侵入（图 9、10）。

图注解读

图 1 · 刺激呈现方式

原文图注：Fig. 1 Stimulus presentation. The chromatic and achromatic Mondrian stimuli (see text for full details) were presented in a pattern onset/offset mode with square wave temporal modulation. The pattern remained on for 500 ms, to be replaced for the same period by a blank field of the same mean luminance and mean hue.

这张图示意两种 Mondrian 刺激的时间调制方式：图案出现 500 ms 后被同等平均亮度、同等平均色调的空白场替换 500 ms，如此往复形成 1 Hz 方波。读图的关键在于"同亮度同色调的空白场"——改为“图案与背景的平均亮度相同，从而避免全场平均亮度闪烁；但灰阶图案含局部亮度对比，因此该控制不能证明BOLD差异只由颜色引起。”它支撑方法部分对等亮刺激的说明。

Figure 1

图 2 · 主实验的刺激序列

原文图注：Fig. 2 Sequence of stimulation during the main experiment; the three conditions A, B and C were presented in a pseudo-randomized continuous sequence lasting 31.94 min. A total of 315 whole brain volumes were acquired in a scanning session (TR 5 6.084 s).

（注：图注中的"5"为原文排版中"="的识别错误。）本图展示主实验的时间线：彩色 Mondrian、灰阶 Mondrian、空白三种条件伪随机地以 30.4 s 区块连续交替，全程 31.94 分钟、共 315 个全脑体积。读图时注意区块长度与 TR 的关系（每区块 5 个扫描），以及伪随机化是为了避免条件顺序带来的预期效应。它对应方法部分描述的区块设计。

Figure 2

图 3 · 上/下半视野刺激的构型

原文图注：Fig. 3 Stimulus configurations employed for the separate stimulation of superior and inferior portions of the visual field. The chromatic and achromatic Mondrian stimuli were restricted to either the upper or lower third of the visual field stimulated in the main experiment. Both the colour and black and white stimuli were presented in onset/offset mode at a rate of 1 Hz.

本图示意第二个实验的刺激空间排布：彩色与灰阶 Mondrian 分别只出现在主实验视野的上三分之一或下三分之一，时间上仍以 1 Hz 开关调制。由此形成上野彩色、上野灰阶、下野彩色、下野灰阶四个条件，两两对比即得各半野的激活。这张图是理解"视野拓扑"结论的刺激基础。

Figure 3

图 4 · 数据预处理流程

原文图注：Fig. 4 Schematic representation of the pre-processing stages performed on the images prior to statistical processing. Realignment generates a mean fMRI image in addition to all of the realigned fMRIs. This mean image acts as the target image on to which a structural, T1-weighted, MRI is coregistered. Following this, the coregistered T1 image is normalized to a standard T1 template image. The parameters that bring about this normalization are then applied to each of the fMRI images in turn……

本图以流程图形式给出统计前的处理链：头动校正（生成平均功能像）→ 与 T1 结构像配准 → T1 归一化到标准模板（其参数套用到各功能像；非标准化分析则省去此步）→ 高斯平滑（标准化分析 8 mm、非标准化 4 mm 半高宽）。读图时抓住两条支线：进入 Talairach 群体分析的一条，和保留个体解剖做配准对照的一条。它是方法部分分析流程的图形总结。

Figure 4

图 5 · 三种个体激活模式

原文图注：Fig. 5 Three subjects who are typical of the three major activation patterns revealed by the comparison of chromatic versus achromatic stimulation. The SPM{Z} data are shown on sagittal, coronal and transverse 'glass brain' views. The data are also represented on the subjects' coregistered (normalized) T1 structural images; in each case the sagittal, coronal and transverse planes are coincident with the x, y and z planes, respectively of the most significantly activated pixel in area V4. (A) The most frequently encountered pattern, exhibited by eight of 12 subjects, reveals prominent activation of the occipital pole surrounding the calcarine fissure (V1/V2), in addition to which are separate, bilaterally placed foci in the ventral occipital cortex (V4).……

（原注较长，截断；后半句说明 B 型为双侧腹侧激活而无 V1，C 型为距状皮质激活加腹侧单灶。）本图是单个被试层面最重要的结果图：每个被试给三平面"玻璃脑"投影和与其 T1 结构像叠加的断层。读图时先看玻璃脑上激活灶的数目与对称性，再看断层上灶与枕极、腹侧皮层的相对位置。A 型（8/12 人）显示 V1/V2 加双侧腹侧 V4，B 型（2 人）只有双侧腹侧灶，C 型（2 人）为左侧腹侧灶加 V1——它直接支撑主要结果第 1 条：颜色激活一致出现在腹侧枕颞皮层且独立于 V1。

Figure 5

图 6 · 群体平均激活

原文图注：Fig. 6 Group result (n 5 12) for the comparison of chromatic versus achromatic Mondrian stimulation thresholded at corrected P , 1 3 10–3 display conventions are similar to those used in Fig. 5).

（注："n 5 12"即 n=12；"P , 1 3 10–3"即矫正后 P<1×10⁻³。）本图把 12 名被试的数据平均后做彩色 vs 灰阶对比，显示双侧近似对称的腹侧枕颞激活团，以及枕极 V1/V2 的激活团；峰值坐标与 Z 分数见表 2（右 V4 Z=8.05、左 V4 Z=7.99、V1/V2 Z=8.48）。读图方式与图 5 相同，但意义在于证明前述个体模式在群体水平收敛：颜色中枢的位置在组平均下依然清晰可辨，而非个体偶然。

Figure 6

图 7 · 单被试上/下半野激活

原文图注：Fig. 7 Activations generated in a single subject in areas V1 and V4 by stimulation of (A) the superior visual field and (B) the inferior visual field.

本图展示一名被试分别接受上野（A）与下野（B）刺激时的激活。判读要点有二：其一，距状皮质的焦点位置随半野翻转——上野焦点在距状裂下方（x=2, y=-76, z=2, Z=7.08），下野焦点在上方（x=-8, y=-98, z=12, Z=5.86），符合纹状皮质视野倒置对应的经典规则；其二，无论哪个半野，V4 层面的激活都出现在腹侧梭状回一带。这支撑主要结果第 4 条：两个半野的颜色代表都在腹侧 V4 内，不存在分属背腹两处的半野代表。

Figure 7

图 8 · 群体上/下半野 V4 激活

原文图注：Fig. 8 Group result for the activations produced in area V4 by the stimulation of (A) the superior visual field and (B) the inferior visual field.

本图为群体平均的半野结果：上野（A）在 V4 的激活峰为右 (28, -72, -12)、左 (-24, -76, -14)，Z 分别为 4.59、4.61；下野（B）为右 (38, -74, -20)、左 (-32, -76, -12)，Z 均为 4.71。把 A、B 两面板在同一解剖背景下对比即可读出拓扑顺序：上野代表更靠内侧、下野更靠外侧，两者相邻。这组坐标是"human V4 含完整视野代表且呈内外向拓扑"的直接证据，也是反驳背侧另有下野颜色代表这一说法的关键数字。

Figure 8

图 9 · 腹侧表面解剖示意

原文图注：Fig. 9 The ventral surface of the human brain. The shaded regions medial and lateral to the collateral sulcus (in the right hemisphere only) indicate the posterior regions of the lingual and fusiform gyri, respectively.

这是一张解剖示意图而非数据图：画出脑的腹侧表面，以侧副沟为界，其内侧阴影区为舌回后部、外侧阴影区为梭状回后部（仅右半球标出）。它的作用是为图 10 提供读图框架——侧副沟是分隔舌回与梭状回的显著解剖标志，也是本文用来检验"颜色中枢落在哪个回"的参照线。

Figure 9

图 10 · 激活与个体解剖的配准对照

原文图注：Fig. 10 Coregistered SPM{Z}s and non-stereotactically normalized T1-weighted MRIs for three subjects (A, B and C) in transverse and coronal planes. The activations are marked in red and the collateral sulcus in blue.

本图把三名被试（不做 Talairach 标准化、只做个体内配准）的激活图（红色）叠加到各自的结构像上，并以蓝色标出其本人侧副沟的走行，给横断与冠状两平面。读图时盯住红蓝的空间关系：三个被试的颜色激活灶都紧贴侧副沟、典型地位于其外侧（梭状回一侧），几乎没有越沟侵入舌回。这是主要结果第 5 条的图形证据，说明"功能定义的颜色中枢"与"侧副沟外侧的梭状回"这一解剖位置在个体水平稳定对应。

Figure 10

讨论

作者的诠释分三个层次。其一，与既往证据的汇合：本研究定位的颜色中枢与既往 PET 研究（Zeki et al., 1991）、以及损伤后导致皮质性色盲的区域一致，也与 Clarke 和 Miklossy（1990）在人类尸检脑上按胼胝体纤维模式划定的视觉区边界（靠近侧副沟，他们暂定为 V4—腹侧 V3 边界）相吻合，解剖与功能两条证据链在腹侧汇合。其二，功能分工假说：V1/V2 的激活符合猴颜色通路前段的解剖预期，而 V1/V2 细胞响应主要依赖波长（wavelength-based），V4 部分细胞的响应则与知觉色而非波长成分相关（Zeki, 1983），故作者假设 V1/V2 承担基本的波长觉察与辨别（乃至把光谱切分为基本色调类别），V4 更参与色恒常（colour constancy）机制；文中援引 Vaina（1994）及其实验室未发表结果——色盲患者仍能以升高了的阈值辨别波长，类似 V4 损伤猴的表现。值得注意的是枕叶其余区域（如 V3、V5）在本范式中没有激活，正负两方面的证据共同支持人类存在特化的颜色通路；但作者承认梭状回这一中枢未必是通路终点，简单刺激可能未涉及更高的颜色认知过程，Corbetta 等（1991）的颜色注意研究和 Martin 等（1995）的颜色知识区就是可能继续上行激活的例子。其三，对"背侧 V4"的回应：作者认为 Sereno 等（1995）报告的背外侧激活区不属于 V4，理由是临床上没有任何背侧枕叶选择性损伤导致色盲的病例，也没有仅累及下半视野的色盲性视野缺损（Meadows, 1974; Plant, 1991）——这从反面支持整个对侧半野的颜色代表都在腹侧；Corbetta 等（1991）的腹外侧激活位置与 Sereno 的背外侧区并不重合，且其任务涉及颜色注意，与颜色中枢的关系仍是悬案。关于人猴 V4 同源性，作者的态度很谨慎：本研究显示二者位置位移后可对应、视野组织方式相似，但不能就此断言同源，只能说"使同源显得不那么不可能"，具体论证将另文展开。方法学上他们也坦承扫描分辨率下 V1 与 V2 的边界难以分辨。

一句话总结

在我的理解里，这篇文章的持久贡献不是又一次"找到了颜色区"，而是把颜色中枢的位置从组平均坐标推进到个体水平的解剖锚点：无论位置如何漂移，它总在侧副沟外侧的梭状回上；再加上半野实验证明上、下视野代表在这里相邻相接，"人脑另有一个背侧 V4"的说法就此失去了临床与功能上的双重支撑。当然，作者自己也清楚，单靠 BOLD 位置证据还不足以给"human V4"这个标签背书同源性——这一点在后来以视觉区拓扑测绘为基础的文献里被反复重新审视。

审校与证据追溯 (Verification & Evidence)

图表审计结果

关键事实与局限性声明