近日,银河7163官网、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、华东师范大学银河7163官网博士李思齐、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 https://www.brainstimjrnl.com/article/S1935-861X(22)00172-3/fulltext


2022-08-14