每个有良好视力的人都知道明亮和黑暗的一天之间的区别。在明亮的日子里，天空形成一个均匀的蓝色表面，可以反射多达 30,000 cd/m 2的光，而在黑暗的日子里，云层可以将天空亮度降低到 5,000 cd/m 2或更低。随着夜幕降临，天空变得更加黑暗，在灯火通明的城市中 反射率低于 1 cd/m 2 。
如果你问一个天真的主题是什么让场景变得明亮，你可能会被告知这是来自天空等大表面的光强度。但是，如果你问神经科学家，你会得到一个复杂的答案。皮层神经元有专门的过滤器，称为感受野，被认为被小刺激特征激活但被表面抑制。因此，神经科学告诉我们，表面感知来自神经元对表面边界的反应，而不是表面内部。
换句话说，覆盖大部分视觉场景的大型均匀天空之所以显得明亮，是因为它与陆地或水的边界具有高亮度对比度，而不是因为它的表面非常明亮。正如您可能猜到的那样，一些神经科学家开始挑战这种解释，而我们问题的最佳答案是我们不知道。我们不知道我们如何感知包括天空在内的大表面，也不知道我们如何区分明亮的一天和黑暗的一天。
在将发表在Cell Reports上的一篇新论文中，科学家们通过测量神经元对初级视觉皮层中不同亮度表面的反应来解决这个长期存在的问题。初级视觉皮层有两种类型的神经元，它们发出信号光刺激(光开神经元)或暗刺激(光关神经元)。
科学家们现在证明，小的明亮刺激仅激活代表视觉空间中同一点的皮质神经元的一半，即 ON 神经元。然而，大的明亮表面同时激活 ON 和 OFF 神经元类型，并且组合的 ON+OFF 皮层响应随着表面亮度和表面尺寸的增加而增加。
他们还证明了亮度和大小之间的这种相互作用已经存在于自然界中，并且随着自然场景变得更亮，光表面也变得更大。因此，与目前的看法相反，新发现表明明亮表面的内部和边缘都驱动强烈的皮层反应，并且当它们从初级视觉皮层产生最强的神经元群体反应时，场景看起来最亮。
初级视觉皮层通过 ON 和 OFF 皮层通路发出光和暗刺激的信号。在这项研究中，科学家们证明，这两种途径都会对大型均匀表面产生相似的响应增量，并且它们的响应平均值会随着表面亮度的增加而增加。他们表明，在猫的视觉皮层中，当刺激小于一个感受野中心时，来自 ON 或 OFF 通路的反应优势呈双峰分布，但当刺激较大时呈单峰分布。
此外，虽然小的明亮刺激会驱动来自 ON 和 OFF 通路的相反响应(增加与抑制活动)，但大的明亮表面会驱动类似的响应增量。研究人员表明，之所以出现这种大小-亮度关系，是因为强光照会增加自然界中光表面的大小，并且 ON 和 OFF 皮层神经元都接收来自 ON 丘脑通路的输入。他们得出的结论是，当来自 ON 和 OFF 皮质通路的平均响应增加变得更强时，视觉场景被认为更亮。
这项工作由 Reece Mazade 和纽约州立大学验光学院 Jose Manuel Alonso 实验室的合作者完成。它将于 9 月 27 日在Cell Reports上在线发布。