利用颅内电刺激和电生理技术揭示theta与gamma神经振荡在人类视皮层功能连接中的作用

　　

 

近日，北京大学心理与认知科学学院、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 https://www.brainstimjrnl.com/article/S1935-861X(22)00172-3/fulltext

 

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2022-08-14