eLife揭示视觉序列暴露引发大脑皮层双重可塑性反应

　　

人类大脑拥有一项重要的功能特性——大脑皮层的可塑性，这意味着大脑可以通过经验和学习不断调整和适应。这种可塑性不仅能通过主动训练（如知觉学习）产生，还可以通过简单的、重复的暴露实现。基于重复暴露的皮层可塑性在帮助我们灵活应用知识、适应不同情境方面起着重要作用。以往研究表明，视觉序列的暴露可以引发大脑皮层的预期性激活，并影响我们对感觉信息的加工。然而，关于这种激活是否与特定的特征相关，以及序列中的特征信息在大脑中是如何编码和组织的，仍然存在未解之谜。

近期，北京大学心理与认知科学学院方方课题组在eLife期刊在线发表了一篇题为《Non-feature-specific elevated responses and feature-specific backward replay in human brain induced by visual sequence exposure》的研究论文。研究团队采用脑磁图（MEG）技术，并结合计算神经建模，揭示了视觉序列的重复暴露能够引发大脑皮层的双重可塑性反应。

在实验1中，18名人类被试反复观看由4个运动方向组成的固定视觉序列。在随后的主任务中，部分试次中仅呈现序列的第一个或最后一个运动方向（作为线索），另一些试次则呈现完整的视觉序列。被试只需对完整序列进行一致性判断（图1A）。结果表明，线索诱发的视皮层预期性激活与特定的运动方向无关（图1B和1D）。然而，在呈现线索后的空屏期内，大脑会自发地重新激活先前看到的运动方向信息，且以一种时间压缩的方式反向回放整个序列（图1C和1E）。

图1 （A）实验1的范式和流程图。被试首先反复观看由4个运动方向组成的固定视觉序列（Exposure phase）。在随后的主任务(Main phase)中，部分试次中仅呈现序列的第一个或最后一个运动方向（作为线索），另一些试次则呈现完整的视觉序列。被试只需对完整序列进行一致性判断。（B）仅呈现序列的第一个运动方向作为线索时，空屏期无法解码出特定的运动方向。（C）仅呈现序列的第一个运动方向作为线索时，左：运动方向形成的序列被以时间压缩的方式进行神经活动反向回放；右：一个代表性被试的神经活动反向回放示例图。（D）仅呈现序列的最后一个运动方向作为线索时，同B。（E）仅呈现序列的最后一个运动方向作为线索时，同D。

在实验2中，研究团队探讨了这种反向回放是否取决于线索在序列中的位置。实验2将线索改为序列中的第二或第三个运动方向。结果发现，使用非首尾位置的刺激作为线索时，未出现正向或反向神经活动回放的证据（图2A）。在实验3中，研究团队进一步研究了暴露时长对神经活动回放的影响。结果显示，即使在减少暴露时长的情况下，仍能能够观察到一定程度的反向神经活动回放现象（图2B）。

图2 (A) 实验2结果。使用序列中的第二或第三个运动方向作为线索时，未发现正向或反向神经活动回放的证据。（B）实验3结果。在减少暴露时长的情况下，仍能能够观察到一定程度的反向神经活动回放现象。

综上所述，本研究首次揭示了视觉序列的重复暴露能够引发两种不同的大脑反应：一种是与特征无关的神经激活响应，帮助大脑为即将到来的事件做好准备；另一种则是与特征相关的神经活动回放现象，可能支持与序列相关的学习与记忆功能。这一发现为我们理解大脑如何处理序列信息提供了全新视角，并揭示了大脑在学习和记忆中的重要机制。

本文第一作者为北京大学心理与认知科学学院已出站博士后何涛博士，通讯作者为方方教授。课题组博士生龚曦紫、朱心亿、王茜副研究员以及北京师范大学和北京脑科学和类脑研究中心柳昀哲研究员做出重要贡献。本研究获得了科技创新2030-重大项目（2022ZD0204802）、国家自然科学基金（31930053）、北京市自然科学基金（5244044）和教育部人文社会科学青年项目（23YJCZH071）等基金资助。

原文链接：https://elifesciences.org/reviewed-preprints/101511

 

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2024-11-09