人類習(xí)慣性地以視覺感知為主導(dǎo)進(jìn)行信息的接收與處理。視覺信息傳遞系統(tǒng)作為環(huán)境與大腦之間的橋梁，承載著外部世界信息向神經(jīng)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換，為我們感知世界構(gòu)建基礎(chǔ)。在這方面的研究歷程中，標(biāo)志性的一步是在1959年Hubel和Wiesel對哺乳類動物初級視覺皮層中神經(jīng)元的感受野進(jìn)行描述，從而開辟了視覺科學(xué)研究的新紀(jì)元。半個多世紀(jì)以來，通過對清醒猿類和經(jīng)基因編輯的小鼠模型的實(shí)驗(yàn)研究，科學(xué)家們已逐步加深了對視覺神經(jīng)機(jī)制的洞察。在此基礎(chǔ)上，研究者們進(jìn)一步探索了將動物實(shí)驗(yàn)中所獲得的知識闡釋人類視知覺規(guī)律的可能性。然而，盡管取得了一定進(jìn)展，但我們對于人類視覺神經(jīng)元特性的具體認(rèn)知仍然相對缺乏。
近日，北京大學(xué)心理與認(rèn)知科學(xué)學(xué)院、IDG麥戈文腦科學(xué)研究所、北大-清華生命科學(xué)聯(lián)合中心方方/王茜團(tuán)隊(duì)在Science China Life Sciences在線發(fā)表了題為“Local field potentials, spiking activity, and receptive fields in human visual cortex”的研究論文。該團(tuán)隊(duì)運(yùn)用顱內(nèi)微電極技術(shù)，在人類視皮層成功同步記錄了視覺刺激誘發(fā)的局部場電位（local field potential, LFP）與單神經(jīng)元放電活動，闡釋了單神經(jīng)元活動與場電位不同頻率成分的功能關(guān)聯(lián)。
顱內(nèi)微電極與人類視皮層神經(jīng)元放電活動（原文圖3）
研究發(fā)現(xiàn)，相較于LFP中的低頻活動（0.5 – 30 Hz），由低伽馬（30 – 60 Hz）和高伽馬（60 – 150 Hz）活動測得的感受野更小，其空間范圍非常接近由神經(jīng)元放電活動測得的感受野。同時，低伽瑪和高伽瑪活動的時序特征也與神經(jīng)元放電活動特性高度相似。這些結(jié)果均表明，低伽瑪和高伽瑪活動在早期視覺信息處理中具有關(guān)鍵功能。
LFP不同頻率成分感受野大小比較（原文圖2）
目前，國際上人類顱內(nèi)電記錄采用較多的是宏電極技術(shù)，其電阻在20-50 kΩ左右，能記錄到較大范圍場電位。相比之下，微電極電阻在1MΩ以上，能記錄到非常高空間分辨率的局部場電位和單神經(jīng)元動作電位。然而，掌握人類顱內(nèi)微電極技術(shù)的團(tuán)隊(duì)屈指可數(shù)，如美國UCLA的Itzhak Fried組(Nature Neuroscience, 2022, 25: 935-943)、美國Cedars-Sinai Medical Center的Ueli Rutishauser組(Science, 2022, 367: eabm9922)、德國University of Bonn Medical Center 的癲癇中心課題組 (Neuron, 2018, 100: 753-761)等。利用顱內(nèi)微電極技術(shù)探究認(rèn)知功能的研究目前在國內(nèi)幾乎是空白。本研究是首例描述人類初級視皮層單神經(jīng)元活動和場電位的定量研究，有望對理解人類視知覺原理產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。
課題組已出站博士后（現(xiàn)任北京體育大學(xué)心理學(xué)院講師）羅路博士、首都醫(yī)科大學(xué)三博腦科醫(yī)院王雄飛副教授為文章共同第一作者，北京大學(xué)心理與認(rèn)知科學(xué)學(xué)院方方教授、王茜助理研究員為文章共同通訊作者。北京大學(xué)心理與認(rèn)知科學(xué)學(xué)院魯君實(shí)工程師，課題組博士生陳冠鵬、首都醫(yī)科大學(xué)三博腦科醫(yī)院欒國明教授以及北京師范大學(xué)李武教授亦為本文做出重要貢獻(xiàn)。該工作得到了北大-清華生命科學(xué)聯(lián)合中心、科技部、國家自然科學(xué)基金委的資助。
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Kutter, E. F., Bostroem, J., Elger, C. E., Mormann, F., & Nieder, A. (2018). Single Neurons in the Human Brain Encode Numbers. Neuron, 100(3), 753–761.
2024-12-16