【Science】睡眠期视觉内容的神经解码

本文使用EEG与fMRI技术对睡眠中关于梦的视觉内容进行解读。

背景

在很多情况下，梦包含视觉成分。虽然梦与快速眼动（REM）睡眠有关，但梦与REM睡眠却是分离的。梦发生在睡眠开始（催眠）期间往往伴随着生动形象的内容。HORI等人表明，在背景EEG波形中，当脑电波（θ波）占主导地位时，梦的平均召回率达到峰值。在本研究中，我们将基于机器学习的分析扩展到睡眠过程中自发脑活动的解码，以读出梦的视觉内容。我们专注于睡眠期，我们通过重复唤醒和记录受试者的大脑激活模式和口头报告视觉体验来收集许多梦境数据。我们假设，在梦中的视觉内容至少部分地表现为清醒期间的视觉皮层活动模式。因此，我们使用相关设备来解码由自然图像引起的大脑活动。

方法

潜在的受试者通过回答问卷调查，了解他们的睡眠清醒习惯，任何患有身体或精神疾病及目前正在接受医疗或怀疑有睡眠障碍人员都被排除在外，在睡觉前有吸烟或者喝酒精饮料的人员也被排除在外。最后，三名健康受试者（男性，27岁至39岁）视力正常者参加了实验。所有受试者在实验中给予书面知情同意。从每个实验前三天开始，受试者受指示维持他们的睡眠-觉醒习惯，即每天唤醒/睡眠时间和睡眠持续时间。 他们也得到了指示避免过量饮酒，在每个实验前一天开始进行体育锻炼和小睡实验。

适应睡眠

受试者在主要的功能磁共振成像睡眠实验前进行两次适应性睡眠实验，以适应实验设置中的睡眠。使用fMRI睡眠实验的相同程序进行适应性实验，除了没有执行真正的fMRI扫描。使用模拟扫描仪模拟实验环境，该模拟扫描仪由没有磁体的真实扫描仪的外壳组成。回波平面成像（EPI）噪声通过扬声器也进行声音模拟。

睡眠实验与多次觉醒过程

睡眠（午睡）实验从下午1:00到下午5:30进行。功能磁共振成像扫描同时进行PSG记录（EEG，EOG，EMG，和ECG）。EEG和ECG信号使用BrainAmp MR（德国Brain Products GmbH）进行采集。BrainAmp ExG MR对EOG和EMG信号进行采集放大（德国Brain Products GmbH），使用Brain Vision软件记录数据。我们进行多次唤醒以收集睡眠期间视觉体验的口头报告，过程功能磁共振成像持续扫描（图1）。

图1

功能磁共振成像开始扫描被试即可入睡。利用BraveVision ReVIEW实时剔除梯度伪影及心电伪影，从而使实验者能够清楚的监测EEG信号。

当检测到具有α波抑制和θ波发生的单个时期时，实验者通过麦克风/耳机通过姓名呼叫来唤醒受试者。要求受试者口头描述他们在醒来之前看到的内容以及其他心理内容，然后再次入睡。在fMRI期间重复这种多重觉醒程序会话。受试者被告知他们可以随时退出实验，并且在有隐私问题的情况下他们可以拒绝报告心理内容。在每次觉醒时，受试者被问及受试者在醒来之前是否已经看到任何东西，然后随意地将其与其他心理内容一起描述。包含至少一个可视元素报告被归类为可视化报告。如果没有可视内容，则报告被归类为其他报告，报告被分类为其他包括思维（主动思维）、忘记、非视觉报告及没有报告。分类首先由实验者实时进行，后来被其他研究人员确认。在每个受试者中分别在10天、7天和7天重复该实验，直到从每个受试者获得至少200个醒目的视觉报告。离线睡眠阶段评分确认大于90％的觉醒后接着是视觉报告，最后15秒觉醒前的时代被划分为睡眠阶段1期或2期。 结果，分别为受试者1-3选择235、198和186次唤醒，构成睡眠数据样本用于进一步分析。

PSG记录

PSG记录同时进行功能磁共振成像扫描，PSG由EEG、EOG、EMG和ECG记录组成。根据10-20系统记录31个电极点（FP1、FP2、F7、F3、F4、F4、F5、FC5、FC1、FC2、F6、T6、C3、C3、C4、T8、TP9、CP5、CP1、CP2、CP6、TP10、P7、P3、P4、P4、P8、P8、O1、Oz、O2），电极帽品牌为EASYCAP（德国Brain Products GmbH）。眼电信号由从两个眼睛（水平EOG）和右眼上方和下方的垂直电极（垂直EOG）的四个电极对EOGs进行记录。EMG在颏两侧记录。从下肩胛骨记录ECG。EEG和ECG记录参考FCZ。电极阻抗保持在25 KΩ以下。 所有数据用MRI兼容的放大器以5000 Hz的采样率，使用Brain Vision软件进行（德国Brain Products GmbH）记录。我们还使用Syncbox（德国Brain Products GmbH）用于EEG和MRI数据和记录EEG数据质量之间的相位同步。

结果

解码精度的分布如图2A所示，较高视觉皮层（腹外侧区覆盖外侧枕骨复合体、梭形面部区域和海马旁区）的表现高于下视觉皮层（V1-V3结合）。当时间窗被移动时，解码精度在觉醒之前达到0到10秒（更高的视觉皮层，图2B）。苏醒后的高精度可能是由于血流动力学延迟和大时间窗造成的。因此，口头报告很可能反映清醒之前的大脑活动。

图2

A解码精度的分布与原始和标签混洗数据的所有对（浅蓝色和灰色）和选定的对（深蓝色和黑色）（三个科目汇集）在较高的视觉皮层。阴影指示95% CI，虚线表示机会级别。B解码精度的时间过程，情节显示的性能与9S（三卷）的时间窗口集中在每个点（灰色窗口和箭头主要分析）在较高的视觉皮层。阴影指示95% CI，虚线表示机会级别。

结论

本研究表明，梦的特定视觉内容可以从视觉皮层活动模式中读出。 REM和睡眠发作报告之间的相似性和REM睡眠期间的视觉皮质激活表明，相同的方法也可用于解码在REM睡眠期间发生的梦。 因此，我们的方法可以进一步超出睡眠阶段和可报告的经验范围，以揭示自发性大脑的动态活动。

参考文献

Neural decoding of visual dream contents during sleep-onset period. Science, 340 (6132), pp639-642, 2013.

All the sections below are originally published in Horikawa T, Tamaki M, Miyawaki Y, Kamitani Y. Neural Decoding of Visual Imagery During Sleep.

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