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我系陈霓虹副教授合作发文:应用人类立体颅内脑电揭示视皮层运动回放现象

2020-08-31


在无外界信息输入的条件下,大脑也可产生与先前感知物理环境相似的神经活动,这一现象被称为神经活动的回放(replay)。这种基于经验的回放在学习和记忆巩固中起到关键作用。比如在睡眠或清醒放空状态下,我们的大脑会进入离线模式,重现此前的经历以巩固记忆。这一过程可发生于海马体,也可发生于感知皮层。此前,科学家仅在啮齿动物等非人类动物的感知皮层观察到这一过程。最新的一项临床研究首次在人类参与者的大脑视觉皮层中观察到了神经激发序列的重放过程。

2020年6月,清华大学社科学院心理学系陈霓虹副教授联合北京大学方方课题组在《中国科学:生命科学》(Science China:Life Sciences)期刊发表了题为《Cue-triggered activity replay in human early visual cortex》的研究论文。作者使用立体脑电图(stereo-electroencephalography,sEEG)进行人类视皮层的颅内电极记录。通过网膜拓扑定位程序,研究者先定位出早期视皮层V1-V3内各电极位点的视觉空间感受野。在学习阶段,被试反复观看屏幕上快速移动的光点。在前后测试阶段,在运动轨迹的不同位置短暂呈现光点,记录感受野位于运动轨迹的电极信号,考察光点能否诱发运动序列的重放。


图1  实验刺激与立体颅内脑电记录位点

实验发现,单一位置呈现的光点线索可诱发类似于观看运动光点的神经活动。基于Gamma信号的互相关分析与视觉诱发电位VEP分析均显示,感受野位于运动轨迹下游的电极在后测中具有由线索诱发的神经活动回放。进一步地,研究者分析了这种学习效应的时间特征。结果显示,回放的速度快于光点在物理移动时的速度,表明回放过程中存在时间压缩。此外,该回放效应会随着时间的推移快速衰减。


图2 基于Gamma信号的互相关图显示回放效应

该文章为人类早期视皮层在线索诱发下的时间序列重放效应提供了直接的电生理证据,揭示了短期视觉经验诱发的神经可塑性。清华大学社科学院心理学系陈霓虹副教授与北京大学心理与科学学院方方教授为论文共同通讯作者。论文第一作者为北京大学心理与认知科学学院博士生鲁君实,博士后罗路、助理研究员王茜(原首都医科大学三博脑科医院临床神经心理科主任)参与本项工作。该工作得到国家自然科学基金委和北京市科学技术委员会的基金支持。


文献索引

Lu, J., Luo, L., Wang, Q., Fang, F., and Chen, N. (2020). Cue-triggered activity replay in human early visual cortex. Sci China Life Sci 63, https://doi.org/10.1007/s11427-020-1726-5
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