方方/王茜团队揭示theta与gamma神经振荡在视皮层功能连接的作用
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近日，北京大学心理与认知科学学院、IDG麦戈文脑科学研究所、北大-清华生命科学联合中心方方课题组，在《Brain Stimulation》发表题为“Distinct roles of theta and gamma rhythms in inter-areal interaction in human visual cortex revealed by cortico-cortical evoked potentials”的研究论文。该研究首次发现，人脑gamma（30 – 60 Hz）和theta（4 – 8 Hz）神经振荡分别调控了初级视皮层（V1）到V2/V3低级视皮层（lower visual cortex, LVC）及V1到高级视皮层（higher visual cortex, HVC）的功能连接。
哺乳动物和人的视皮层拥有精巧的层级构架，各层级脑区间功能连接奠定了视觉加工的基础。神经振荡是中枢神经系统中广泛存在的一种节律性活动，长久以来被认为是脑区间功能连接的关键。不同类型的功能连接依赖不同频率的神经振荡。因此，V1 – LVC间的短距离交流和V1 – HVC间的长距离交流可能由不同频率的神经振荡推动，但这一假设目前仍缺乏有力证据。
为此，本研究创新性地采用了皮层-皮层诱发电位（Cortico-cortical evoked potential, CCEP）技术。在临床上，CCEP是一种癫痫患者术前评估手段。医生通过颅内电极向特定皮层区域施加微小的电流刺激，同时记录其他区域的电刺激诱发电位，从而评估脑区间的连接情况。CCEP具有很高的时空分辨率，可对刺激脑区和记录脑区实行精准定位，信号蕴含丰富的时频信息，非常适合用于探究神经振荡在视皮层网络中的贡献。
共有9名接受颅内立体脑电图（stereo-electroencephalogram, SEEG）监测的患者参与了本项研究。研究者首先向被试呈现视觉刺激，根据sEEG反应锁定了100个视觉响应的枕叶电极触点。随后，通过对以上电极施加电流刺激并记录诱发电位，研究者共获得165组显著的CCEP，包括V1-LVC和V1-HVC的前馈与反馈信号。
图1. sEEG电极分布与CCEP方法示意。
对电刺激后100 – 500 ms时间窗进行分析发现，V1-LVC和V1-HVC的CCEP信号展现出截然不同的时频特征。其中，在V1-LVC信号中，刺激诱发的能量变化主要集中在gamma频带，反馈方向的gamma显著强于前馈方向。对应地，在V1-HVC信号中，能量变化出现在30 Hz以下的低频频带，尤其存在显著的前馈theta抑制和反馈theta增强。值得注意的是，本研究的电刺激没有诱发被试的主观视觉体验，因此，上述结果可能反映阈限下的神经活动特性，其背后的神经机制还有待进一步研究探讨。
图2. 主要研究结果。
本文第一作者为课题组已出站博士后罗路（现任北京体育大学心理学院讲师），通讯作者为方方教授与王茜助理研究员。课题组博士生陈冠鹏、华东师范大学心理与认知科学学院博士李思齐、以及首都医科大学三博脑科医院王静主治医师做出重要贡献。本研究获得了科技创新2030-重大项目（2022ZD0204802，2022ZD0204804）、国家自然科学基金（31930053, 32171039）、以及北京智源人工智能研究院的资助。
Luo, L., Chen, G., Li, S., Wang, J., Wang, Q., & Fang, F. (2022). Distinct roles of theta and gamma rhythms in inter-areal interaction in human visual cortex revealed by cortico-cortical evoked potentials. Brain Stimulation, 15(5), 1048-1050. doi:10.1016/j.brs.2022.07.056
原文链接：
https://www.brainstimjrnl.com/article/S1935-861X(22)00172-3/fulltext
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课题组介绍
方方
北京大学心理与认知科学学院教授
北京大学IDG麦戈文脑科学研究所PI
北大-清华生命科学联合中心PI
研究兴趣
主要利用脑成像、神经调控、心理物理学、计算建模、人类遗传学等方法和技术，研究视知觉、意识、注意及其认知神经机制。
王茜
北京大学心理与认知科学学院助理研究员
北京大学IDG麦戈文脑科学研究所Co-PI
研究兴趣
主要从局部场电位和单神经元两个微尺度记录和电刺激探索人类视觉、听觉皮层的知觉加工特性。目前开展的课题主要包括：听觉客体识别的神经机制和视觉颜色加工的神经机制。
报道来源：北京大学IDG麦戈文脑科学研究所