大脑中的“秒表”?张嘉漪/毛颖/陈亮团队揭示视皮层编码秒尺度时间信息的作用机制

大脑中的“秒表”?张嘉漪/毛颖/陈亮团队揭示视皮层编码秒尺度时间信息的作用机制

作者:RWD
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对于时间的感知,不论是对于动物还是对于人类,都是至关重要的。比如,动物预估捕食者的逼近,或者人类进行运动、舞蹈和音乐表演等活动,这些都与我们大脑对秒到十秒量级的时间感知和预测密切相关。已有的研究证实,我们大脑对昼夜节律的感知,主要是由下丘脑的视交叉上核驱动的。但是对于大脑中秒尺度的时间感知,我们仍然知之甚少。


2022年10月3日,复旦大学脑科学研究院张嘉漪团队联合复旦大学附属华山医院毛颖和陈亮团队在Neuron杂志上发表题为“Visual Cortex Encodes Timing Information in Humans and Mice”的研究论文,展示了团队在时间信息预测研究方面取得的重大进展。在该研究中,作者首先分析了人脑中28个脑区的电信号,确定时间信息预测的关键脑区为视觉皮层(Visual Cortex, VC)。随后作者结合小鼠的光遗传学、在体电生理记录以及行为学等实验,进一步验证并揭示了VC在编码时间预测信息中的重要作用机制


视皮层编码秒尺度时间信息的作用机制


以往对于人的大脑秒尺度时间感知功能的研究,大多基于功能性磁共振成像(fMRI)、脑电图(EEG)和脑磁图(MEG)等手段。这些研究揭示了在计时任务中大脑的活动区域,如,基底神经节、丘脑、脑岛和扣带顶叶皮层等,为确定与时间相关的大脑网络提供了重要的证据。然而,fMRI依赖于对神经活动的间接测量,时间分辨率有限;非侵入性EEG虽然具有毫秒级的时间分辨率,但当穿透头皮和颅骨时,信号质量会下降。


为了解决哪些大脑区域在人类秒到十秒量级的时间感知中发挥关键作用的问题,作者利用了立体脑电图(SEEG),对正在执行间隔计时任务的清醒受试者的大脑电信号进行了记录。通过对28个记录脑区的信号强度和相位进行分析,作者确认了VC是间隔时间行为的关键脑区。受试者在做出时间信息预测行为前,VC的脑电显示出alpha波段能量上升和delta波段出现相位同步。


VC表现出alpha波段能量上升和低频波段相位同步

图1.在间隔计时任务中,VC表现出alpha波段能量上升和低频波段相位同步


为了进一步阐述这种计时行为的细胞和环路机制,作者利用小鼠进行下一步的研究。类似于人的时间预测范式,小鼠也可以视觉刺激下或视觉奖励线索诱导下识别和学习时间序列。作者观察到,视觉刺激能够增强小鼠的时间预测能力,并且小鼠的时间预测行为与V1(初级视觉皮层)的活动相关。部分V1神经元存在与时间信息预测相关的兴奋性增强,这些兴奋性增强的V1神经元表现出顺序放电的显著特征。最后,作者还提出了一个计算模型,用来说明V1神经网络在预测秒尺度时间信息中具有自我修正的可塑性规律。


能够自我修正的秒尺度时间信息预测V1神经网络计算模型

图2.能够自我修正的秒尺度时间信息预测V1神经网络计算模型


综上,这项工作通过对人类和小鼠的内在环路动力学的研究,揭示了VC在秒尺度视觉间隔计时信息预测中的关键作用,并进一步阐述了VC的局部振荡是如何将来自外部的时间信息联系起来以指导行为的。


VC编码人和动物时间预测信息示意图

图3.VC编码人和动物时间预测信息示意图


研究方法亮点


这项工作揭示了VC在时间信息预测中的重要作用。该研究用到了脑立体定位手术、光遗传学、电生理记录、虚拟现实行为学分析以及免疫组化等实验技术。瑞沃德深耕生命科学研究领域20年,一直致力于为客户提供可信赖的解决方案和服务。在该研究中,研究人员采用了瑞沃德公司生产的脑立体定位系统,为实验的顺利开展提供了支持。此外,瑞沃德还可提供的该研究所涉及的光遗传学、电生理记录、行为学评估以及免疫组化等实验的完整解决方案。截至目前,瑞沃德产品及服务覆盖海内外100多个国家和地区,客户涵盖全球700+医院,1000+科研院所,6000+高等院校,已助力全球科研人员发表SCI文章14500+,获得行业广泛认可。


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