腦立體定位系統(tǒng)在揭示視皮層編碼秒尺度時間信息的作用機制中的應用

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文獻精讀第38期

對于時間的感知，不論是對于動物還是對于人類，都是至關重要的。比如，動物預估捕食者的逼近，或者人類進行運動、舞蹈和音樂表演等活動，這些都與我們大腦對秒到十秒量級的時間感知和預測密切相關。已有的研究證實，我們大腦對晝夜節(jié)律的感知，主要是由下丘腦的視交叉上核驅(qū)動的。但是對于大腦中秒尺度的時間感知，我們?nèi)匀恢�之甚少�?br />
2022年10月3日，復旦大學腦科學研究院張嘉漪團隊聯(lián)合復旦大學附屬華山醫(yī)院毛穎和陳亮團隊在Neuron雜志上發(fā)表題為“Visual Cortex Encodes Timing Information in Humans and Mice”的研究論文，展示了團隊在時間信息預測研究方面取得的重大進展。在該研究中，作者首先分析了人腦中28個腦區(qū)的電信號，確定時間信息預測的關鍵腦區(qū)為視覺皮層（Visual Cortex, VC）。隨后作者結(jié)合小鼠的光遺傳學、在體電生理記錄以及行為學等實驗，進一步驗證并揭示了VC在編碼時間預測信息中的重要作用機制。
 

以往對于人的大腦秒尺度時間感知功能的研究，大多基于功能性磁共振成像（fMRI）、腦電圖（EEG）和腦磁圖(MEG)等手段。這些研究揭示了在計時任務中大腦的活動區(qū)域，如，基底神經(jīng)節(jié)、丘腦、腦島和扣帶頂葉皮層等，為確定與時間相關的大腦網(wǎng)絡提供了重要的證據(jù)。然而，fMRI依賴于對神經(jīng)活動的間接測量，時間分辨率有限；非侵入性EEG雖然具有毫秒級的時間分辨率，但當穿透頭皮和顱骨時，信號質(zhì)量會下降。

為了解決哪些大腦區(qū)域在人類秒到十秒量級的時間感知中發(fā)揮關鍵作用的問題，作者利用了立體腦電圖（SEEG），對正在執(zhí)行間隔計時任務的清醒受試者的大腦電信號進行了記錄。通過對28個記錄腦區(qū)的信號強度和相位進行分析，作者確認了VC是間隔時間行為的關鍵腦區(qū)。受試者在做出時間信息預測行為前，VC的腦電顯示出alpha波段能量上升和delta波段出現(xiàn)相位同步。
 

圖1.在間隔計時任務中，VC表現(xiàn)出alpha波段能量上升和低頻波段相位同步
 

為了進一步闡述這種計時行為的細胞和環(huán)路機制，作者利用小鼠進行下一步的研究。類似于人的時間預測范式，小鼠也可以視覺刺激下或視覺獎勵線索誘導下識別和學習時間序列。作者觀察到，視覺刺激能夠增強小鼠的時間預測能力，并且小鼠的時間預測行為與V1（初級視覺皮層）的活動相關。部分V1神經(jīng)元存在與時間信息預測相關的興奮性增強，這些興奮性增強的V1神經(jīng)元表現(xiàn)出順序放電的顯著特征。最后，作者還提出了一個計算模型，用來說明V1神經(jīng)網(wǎng)絡在預測秒尺度時間信息中具有自我修正的可塑性規(guī)律。
 

圖2.能夠自我修正的秒尺度時間信息預測V1神經(jīng)網(wǎng)絡計算模型

綜上，這項工作通過對人類和小鼠的內(nèi)在環(huán)路動力學的研究，揭示了VC在秒尺度視覺間隔計時信息預測中的關鍵作用，并進一步闡述了VC的局部振蕩是如何將來自外部的時間信息聯(lián)系起來以指導行為的。
 

圖3.VC編碼人和動物時間預測信息示意圖

研究方法亮點

論文原文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.neuron.2022.09.008