近日，北京大學(xué)心理與認知科學(xué)學(xué)院、麥戈文腦科學(xué)研究所、北大-清華生命科學(xué)聯(lián)合中心方方課題組，在《Brain Stimulation》發(fā)表題為“Distinct roles of theta and gamma rhythms in inter-areal interaction in human visual cortex revealed by cortico-cortical evoked potentials”的研究論文。該研究首次發(fā)現(xiàn)，人腦gamma（30 – 60 Hz）和theta（4 – 8 Hz）神經(jīng)振蕩分別調(diào)控了初級視皮層（V1）到V2/V3低級視皮層（lower visual cortex, LVC）及V1到高級視皮層（higher visual cortex, HVC）的功能連接。
哺乳動物和人的視皮層擁有精巧的層級構(gòu)架，各層級腦區(qū)間功能連接奠定了視覺加工的基礎(chǔ)。神經(jīng)振蕩是中樞神經(jīng)系統(tǒng)中廣泛存在的一種節(jié)律性活動，長久以來被認為是腦區(qū)間功能連接的關(guān)鍵。不同類型的功能連接依賴不同頻率的神經(jīng)振蕩。因此，V1 – LVC間的短距離交流和V1 – HVC間的長距離交流可能由不同頻率的神經(jīng)振蕩推動，但這一假設(shè)目前仍缺乏有力證據(jù)。
為此，本研究創(chuàng)新性地采用了皮層-皮層誘發(fā)電位（Cortico-cortical evoked potential, CCEP）技術(shù)。在臨床上，CCEP是一種癲癇患者術(shù)前評估手段。醫(yī)生通過顱內(nèi)電極向特定皮層區(qū)域施加微小的電流刺激，同時記錄其他區(qū)域的電刺激誘發(fā)電位，從而評估腦區(qū)間的連接情況。CCEP具有很高的時空分辨率，可對刺激腦區(qū)和記錄腦區(qū)實行精準定位，信號蘊含豐富的時頻信息，非常適合用于探究神經(jīng)振蕩在視皮層網(wǎng)絡(luò)中的貢獻。
共有9名接受顱內(nèi)立體腦電圖（stereo-electroencephalogram, SEEG）監(jiān)測的患者參與了本項研究。研究者首先向被試呈現(xiàn)視覺刺激，根據(jù)sEEG反應(yīng)鎖定了100個視覺響應(yīng)的枕葉電極觸點。隨后，通過對以上電極施加電流刺激并記錄誘發(fā)電位，研究者共獲得165組顯著的CCEP，包括V1-LVC和V1-HVC的前饋與反饋信號。
圖1. sEEG電極分布與CCEP方法示意。
對電刺激后100 – 500 ms時間窗進行分析發(fā)現(xiàn)，V1-LVC和V1-HVC的CCEP信號展現(xiàn)出截然不同的時頻特征。其中，在V1-LVC信號中，刺激誘發(fā)的能量變化主要集中在gamma頻帶，反饋方向的gamma顯著強于前饋方向。對應(yīng)地，在V1-HVC信號中，能量變化出現(xiàn)在30 Hz以下的低頻頻帶，尤其存在顯著的前饋theta抑制和反饋theta增強。值得注意的是，本研究的電刺激沒有誘發(fā)被試的主觀視覺體驗，因此，上述結(jié)果可能反映閾限下的神經(jīng)活動特性，其背后的神經(jīng)機制還有待進一步研究探討。
圖2. 主要研究結(jié)果。
本文第一作者為課題組已出站博士后羅路（現(xiàn)任北京體育大學(xué)心理學(xué)院講師），通訊作者為方方教授與王茜助理研究員。課題組博士生陳冠鵬、華東師范大學(xué)心理與認知科學(xué)學(xué)院博士李思齊、以及首都醫(yī)科大學(xué)三博腦科醫(yī)院王靜主治醫(yī)師做出重要貢獻。本研究獲得了科技創(chuàng)新2030-重大項目（2022ZD0204802，2022ZD0204804）、國家自然科學(xué)基金（31930053, 32171039）、以及北京智源人工智能研究院的資助。
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