2022年2月25日， NeuroImage 在線刊發(fā)了北京大學(xué)心理與認(rèn)知科學(xué)學(xué)院、麥戈文腦科學(xué)研究所納家勇治研究員課題組的文章“Distinct networks coupled with parietal cortex for spatial representations inside and outside the visual field”。

我們定位物體位置的能力依賴(lài)于大腦對(duì)“以自我為中心”空間的編碼(egocentric space)，egocentric空間由位于視野內(nèi)的空間(例如身體前方的可視區(qū)域)，以及位于視野外的空間（例如身體后方的不可視區(qū)域）組成（Stein, 1989）。然而，以往的研究著重探索了大腦編碼視野內(nèi)空間的神經(jīng)表征（Abrahams et al., 1997; Wolbers et al., 2008; Guterstam et al., 2015），卻忽視了視野外空間被編碼的腦機(jī)制。有行為學(xué)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，當(dāng)人們定位身體后方物體的時(shí)候，相比于定位身體前方的物體，表現(xiàn)出了正確率低（Attneave and Farrar, 1977）、反應(yīng)時(shí)長(zhǎng)（Sholl, 1987）的差異，這個(gè)現(xiàn)象被稱(chēng)為“alignment”效應(yīng) （Presson and Hazelrigg, 1984）或 “front facilitation” 效應(yīng) （Kelly and McNamara, 2009），并建議我們身體周?chē)耐獠靠臻g可能是依靠不同的腦機(jī)制來(lái)編碼的。為了驗(yàn)證這個(gè)假說(shuō)，本課題利用fMRI和MEG方法定位了編碼視野內(nèi)和視野外空間的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。

本實(shí)驗(yàn)中，我們采用了一個(gè)基于3D游戲引擎的空間記憶任務(wù)（Fig. 1a）（Zhang and Naya, 2020）。被試在每個(gè)實(shí)驗(yàn)試次以第一人稱(chēng)視角向3個(gè)呈三角形站位的卡通玩偶行走，并停在玩偶中間圓木上（walking 階段），這是為了讓大腦先實(shí)現(xiàn)對(duì)3個(gè)物體（玩偶）的位置關(guān)系編碼。隨后，3個(gè)玩偶中的其中一個(gè)出現(xiàn)在了游戲場(chǎng)景中，提示被試在剛剛停下的位置，他們的身體朝向已經(jīng)發(fā)生變化，朝向了屏幕上的玩偶（facing 階段）。接下來(lái)，另一個(gè)玩偶以圖片的形式被呈現(xiàn)在屏幕上，此時(shí)被試需要判斷圖片上的玩偶在自己身體的什么方位（targeting 階段），選項(xiàng)包括自己身體的左邊、右邊、或者后邊。該任務(wù)允許我們對(duì)比大腦對(duì)視野內(nèi)（身體左和右邊）和視野外（身體后邊）空間的表征差異。同時(shí)結(jié)合控制條件（在facing 和 targeting階段，屏幕上僅呈現(xiàn)fixation，不要求被試執(zhí)行空間任務(wù)），實(shí)現(xiàn)對(duì)視野內(nèi)和視野外空間的神經(jīng)表征和網(wǎng)絡(luò)定位。


Fig.1空間記憶任務(wù)示例。(a)被試在每個(gè)試次經(jīng)歷3個(gè)階段：walking階段，被試朝向3個(gè)卡通玩偶行走并最終停在玩偶之間的圓形木板上；facing階段，其中一個(gè)玩偶出現(xiàn)在場(chǎng)景中，提示被試當(dāng)前的面朝方向；targeting階段，另一個(gè)玩偶以圖片的形式被呈現(xiàn)，被試需定位該玩偶相對(duì)于自己身體的方向，并在choice階段做出選擇。（b）Targeting 階段，被試和3個(gè)玩偶的空間關(guān)系示意圖，圖片上的“藍(lán)色”玩偶在被試的身體后邊。

通過(guò)比較定位視野內(nèi)與定位視野外物體時(shí)的腦活動(dòng)，fMRI和MEG的實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致顯示，大腦frontoparietal網(wǎng)絡(luò)在定位視野內(nèi)物體時(shí)，相較于定位視野外物體，展現(xiàn)出了更強(qiáng)的腦活動(dòng)（Fig.2a,b,e,g）。而定位視野外物體時(shí)，表現(xiàn)出更強(qiáng)活動(dòng)的腦區(qū)集中在了腦MTL-parietal網(wǎng)絡(luò)，值得一提的是，該腦網(wǎng)絡(luò)對(duì)視野內(nèi)空間的編碼也表現(xiàn)出了選擇性活動(dòng)增強(qiáng)（Fig.2c,d,f,g，詳見(jiàn)文章）。通過(guò)對(duì)擁有高時(shí)間分辨率的MEG數(shù)據(jù)進(jìn)一步挖掘發(fā)現(xiàn)，腦MTL-parietal網(wǎng)絡(luò)的活動(dòng)增強(qiáng)信號(hào)集中在targeting階段開(kāi)始后的0.25-0.37s時(shí)間段，而腦frontoparietal網(wǎng)絡(luò)的活動(dòng)增強(qiáng)信號(hào)集中在相對(duì)較遲的0.67-0.85s的時(shí)間段。這些發(fā)現(xiàn)，與“front facilitation” 效應(yīng)一致，建議視野內(nèi)與視野外物體的定位是由腦frontoparietal網(wǎng)絡(luò)和MTL-parietal網(wǎng)絡(luò)分別編碼的。同時(shí)，大腦頂葉（parietal cortex）可能表征了我們身體周?chē)耐暾臻g，它通過(guò)與MTL通訊完成對(duì)過(guò)去信息的整合，通過(guò)與包括輔助運(yùn)動(dòng)區(qū)、眼動(dòng)區(qū)在內(nèi)的額葉腦區(qū)通訊發(fā)送未來(lái)運(yùn)動(dòng)信號(hào)。


Fig.2 fMRI 與 MEG 實(shí)驗(yàn)結(jié)果. (a, b) 大腦frontoparietal網(wǎng)絡(luò)在定位視野內(nèi)（位于身體左、右側(cè)）物體時(shí)，相較于定位視野外物體，展現(xiàn)出了更強(qiáng)的腦活動(dòng). (c, d) 腦MTL在編碼視野外物體時(shí)，相較于編碼視野內(nèi)物體，表現(xiàn)出更強(qiáng)活動(dòng)。(e, f) fMRI功能連接分析結(jié)果與 (a, b, c, d)結(jié)果一致，建議大腦頂葉在視野內(nèi)/外兩個(gè)實(shí)驗(yàn)條件下分別與frontal腦區(qū)與MTL腦區(qū)存在功能連接。 (f) 大腦頂葉分別與眼動(dòng)區(qū)/輔助運(yùn)動(dòng)區(qū) (腦frontoparietal網(wǎng)絡(luò), 黃線) ，以及內(nèi)嗅皮層/鼻周皮質(zhì) (腦MTL-parietal網(wǎng)絡(luò), 藍(lán)線) 的MEG alpha 頻段信號(hào)分別在0.25-0.37s / 0.67-0.85s 時(shí)間段的相位耦合強(qiáng)度結(jié)果。

論文鏈接: https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1053811922001707

該課題由國(guó)家自然科學(xué)基金，中央高?；究蒲许?xiàng)目資金，和國(guó)家科技創(chuàng)新2030項(xiàng)目資金資助完成。已畢業(yè)博士生張博為論文的第一作者，納家勇治研究員為本文通訊作者。

參考文獻(xiàn)

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2022-03-04