Nature | 东西很难找,或是“行走”的脑电波“捣乱”,科学家揭示视觉感知的神经机制

2020
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神经周刊 / 神经周刊
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大脑如何控制对物体的感知能力?

生活中总会出现类似的场景:上班快迟到了,拼命寻找钥匙准备出门,已经找遍了整个房子,但就是找不到,彷佛钥匙消失了。突然之间,你发现钥匙就在眼前。可为什么之前没有发现呢?

这就涉及到感知灵敏度问题了,它随时间而变化。在一个感知阈值上呈现的微弱刺激可能在某个时间点被检测到,而在另一时间点却未被检测到。这种变化的原因在于局部神经网络中持续不断的自发性脑电波动引起的,这种自发性波动呈现出节律性高兴奋性或低兴奋性(1).

这些“行走”的脑电波是一个信息采集过程,用来感知物体。研究发现这种脑电波主要发生在麻醉状态,那么在清醒状态下这种脑电波是否控制感知?

2020年10月7日美国加州索尔克生物研究所John H. Reynolds在Nature杂志上发表文章揭示了在清醒的普通狨的视觉皮层中存在持续性的自发性脑电波,控制对物体的感知能力(2)。

大脑中单细胞水平或局部神经网络水平的自发性活动总是存在的,局部场电位可以反映这种独特的脑电波活动。

研究人员在普通狨猴的视觉皮层埋置多阵列电极记录电活动,确实在清醒状态下5–40 Hz范围内局部场电位的自发波动通常以波的形式进行传播,其中振幅的变化与神经元变化保持高度一致,在波峰对应高兴奋性神经元活动,波谷对应低兴奋性神经元活动。因此存在一个可能:皮层神经元的兴奋性随”波”逐流.

传统的计算理论认为神经活动是由与任务相关的“信号”与随机的“噪声”混合而成的。在嘈杂的多通道数据中可靠地检测自发波具有一定的难度。研究人员利用局部场电位的相位变化反映神经活动的波形变化,进一步优化波形检测模型后,发现视觉皮层的自发性波形活动频繁出现,大约每十秒中出现一次,波形传播速度在0.1-0.6米/秒

图1,狨猴的视觉刺激任务

为了进一步探究这种自发性脑电活动在视觉刺激中作用,研究人员设计了一个简单的物体识别试验:移动的物体随机按照不固定的时间出现在两个位置中的任一个位置,当普通狨在500ms内看到目标就认为是正确完成任务,给与果汁奖励。

图2,视觉皮层神经元活性与自发性脑电活动的关联性

研究人员记录了在成功看到物体和未能看到物体过程中视觉皮层脑电波活动,发现当脑电波能够与物体视觉刺激引起高兴奋性“匹配”程度很高后提高狨猴识别物体的成功率;但不出现这个脑电波的时候即便是物体引起视觉皮层神经元高反应,对狨猴识别物体的能力也并没有帮助

此外,研究人员进一步发现脑电波与物体视觉刺激引起神经元高兴奋性状态在时间上并不需要精准“匹配”, 脑电波可以在神经元高兴奋性状态之前出现,这一时间大约为60ms。这种有规律出现脑电活动能够准确预测狨猴是否能够完成任务。

总的来说,本文发现处理感知等高级功能的皮层神经元活动的自发性波动既不是纯粹的同步过程,也不是空间混乱的噪声过程,而是在特定空间(视觉皮层)、特定时间(提前60ms)的规律性的活动

【参考文献】

1. Engel, T. A. & Steinmetz, N. A. New perspectives on dimensionality and variability from large-scale cortical dynamics. Curr. Opin. Neurobiol. 58, 181–190 (2019)

2. Zachary W. Davis, Lyle Muller,Spontaneous travelling cortical waves gate perception in behaving primates,https://doi.org/10.1038/s41586-020-2802-y

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关键词:
感知,视觉皮层,脑电波,神经

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