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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，我們大腦對晝夜節律的感知，主要是由下丘腦的視交叉上核驅動的。但是對于大腦中秒尺度的時間感知，我們仍然知之甚少。

2022年10月3日，復旦大學腦科學研究院張嘉漪團隊聯合復旦大學附屬華山醫院毛穎和陳亮團隊在Neuron雜志上發表題為“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個腦區的電信號，確定時間信息預測的關鍵腦區為視覺皮層（Visual Cortex, VC）。隨后作者結合小鼠的光遺傳學、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域，如，基底神經節、丘腦、腦島和扣帶頂葉皮層等，為確定與時間相關的大腦網絡提供了重要的證據。然而，fMRI依賴于對神經活動的間接測量，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，信號質量會下降。

為了解決哪些大腦區域在人類秒到十秒量級的時間感知中發揮關鍵作用的問題，作者利用了立體腦電圖（SEEG），對正在執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。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波段出現相位同步。
 

圖1.在間隔計時任務中，VC表現出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神經元表現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神經網絡在預測秒尺度時間信息中具有自我修正的可塑性規律。
 

圖2.能夠自我修正的秒尺度時間信息預測V1神經網絡計算模型

綜上，這項工作通過對人類和小鼠的內在環路動力學的研究，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