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TCCI研究團(tuán)隊揭示視皮層如何編碼時間信息
2022年10月3日，復(fù)旦大學(xué)附屬華山醫(yī)院院長、天橋腦科學(xué)研究院轉(zhuǎn)化中心（Tianqiao and Chrissy Chen Institute for Translational Research）主任毛穎教授與華山醫(yī)院神經(jīng)外科教授、天橋腦科學(xué)研究院（TCCI）研究員陳亮等在Neuron上發(fā)表了名為“Visual Cortex Encodes Timing Information in Humans and Mice”的文章，揭示了視皮層編碼時間預(yù)測信息的重要機制。
大多數(shù)人類行為都涉及對時間和空間的感知。其中，對環(huán)境中不同時間間隔出現(xiàn)的各種信號的感知和預(yù)測對動物的生存和演化意義重大。大腦不僅需要對大時間尺度的信息進(jìn)行處理，比如對晝夜節(jié)律的感知主要由下丘腦的視交叉上核驅(qū)動，也需要在非常短的時間尺度內(nèi)處理信息，比如及時躲避天敵。動物必須有效地對不同的時間信號作出準(zhǔn)確的預(yù)測，但人們對大腦如何表征秒到十秒量級內(nèi)的時間信息知之甚少。
為了弄清楚在秒到十秒量級的時間感知中，哪些腦區(qū)發(fā)揮關(guān)鍵作用，研究團(tuán)隊使用能夠以毫秒時間分辨率測量顱內(nèi)電活動的多通道腦電（SEEG）進(jìn)行研究。通過記錄、分析人腦中28個腦區(qū)的顱內(nèi)SEEG信號，團(tuán)隊發(fā)現(xiàn)在作出時間信息預(yù)測行為前，初級視皮層的腦電顯示出兩個特征：alpha波段能量上升以及delta波段出現(xiàn)相位同步。
人腦初級視皮層中時間信息預(yù)測相關(guān)活動
為了進(jìn)一步解決介導(dǎo)這種時間預(yù)測行為的細(xì)胞和環(huán)路機制，團(tuán)隊?wèi)?yīng)用光遺傳和在體膜片鉗記錄等多項實驗技術(shù)對小鼠進(jìn)行了研究。結(jié)合行為學(xué)實驗，團(tuán)隊發(fā)現(xiàn)小鼠的時間預(yù)測行為與人類相似，也與初級視皮層的腦電能量高度相關(guān)。此外，研究還發(fā)現(xiàn)部分視皮層神經(jīng)元存在與時間信息預(yù)測相關(guān)的興奮性增強，且興奮性增強的視皮層神經(jīng)元存在順序放電的顯著特征。
在這些生物學(xué)實驗的基礎(chǔ)上，團(tuán)隊提出了基于雙層吸引子和時間細(xì)胞（time cell）的皮層計算模型，該計算模型揭示了視皮層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在處理秒級時間信息時存在自我修正的可塑性規(guī)律。通過這種可塑性變化規(guī)律，視皮層能對視覺的時間預(yù)測信息進(jìn)行編碼，從而顯著推進(jìn)了對大腦時間預(yù)測機制的認(rèn)識。
人和小鼠時間預(yù)測行為、腦電信號及時間細(xì)胞可塑性示意圖
此次研究不僅證明了以秒為尺度的時間信息主要通過局部振蕩在視皮層中表征來指導(dǎo)行為，還開辟了通過人類SEEG記錄與小鼠環(huán)路水平研究相結(jié)合的方式，來解剖大腦網(wǎng)絡(luò)的可能性。
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