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复旦团队揭示大脑中的“秒表”，阐明大脑视皮层编码时间信息的作用机制

来源：威廉希尔DeepTech深科技

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2023-06-01 14:39

生活中，我们会遇到很多视觉相关的时间间隔信息，比如红绿灯规律闪烁后的转换，乒乓球或网球发球前的准备动作等。同时，我们也需要对各式各样的时间间隔信息作出及时的响应。

作为一名科研工作者，复旦大学脑科学研究院张嘉漪研究员和团队关注的是，如何对时间预测行为进行说明。

那么，先要弄清楚什么是时间预测行为？为什么它如此重要？以及时间预测行为是如何工作的？

为了探究这个问题，在最近一项工作中，该团队给予受试者时间间隔为 5 秒或者 10 秒的重复光栅刺激。

“在人类志愿者实验中，我们告知被试需要尽可能准确地，通过按动按钮来预测每次光栅刺激出现的时间，但并不告知重复光栅刺激结束的时间，”张嘉漪表示。

在小鼠实验中，他们训练小鼠在出现光栅的时候学会舔水，从而通过小鼠舔水的时间观察其时间预测行为。

大部分志愿者在重复光栅刺激结束后，都能通过按键这一操作，来准确地预测 5 秒或者 10 秒的时间间隔。与之相同的是，大部分小鼠在训练后也能在 5 秒或 10 秒后，进行舔水动作，即使当时并没有光栅刺激作为提示。

概括来说，该工作发现了三方面的新知识。

其一，对志愿者脑电采集的实验表明，初级视觉皮层几乎独立地进行了时间信息的预测任务。“这的确是出乎我们的预料，因为已有的文献提示，脑对时间的处理可能需要较大范围的脑区协作，”张嘉漪说。

得出这一结论的依据有两点：

一是他们系统地观察了人脑的 28 个脑区，发现当人在成功完成时间预测行为的时间点之前，视皮层的 Alpha 波震荡能量会有一个持续数秒的升高，而绝大部分其他脑区则没有这一现象。Alpha 波能量的升高非常显著，以至于哪怕不看平均数据，单看每个人的脑电数据即可呈现脑电能量的变化；

二是，他们进一步观察了时间预测行为发生前后、视皮层脑电低频振荡的相位，发现每次时间预测行为的 Delta 波相位有明显的同步化。

以上两个实验现象提示，人脑视皮层的活动在时间预测行为中起到了关键作用。而后，课题组利用人和小鼠中脑电低频震荡的共性，在小鼠中利用光遗传学、多通道电生理记录等神经网络解析的实验手段，详细研究了初级视觉皮层在时间信息预测中的贡献。

其中，发现三个重要实验现象：

一是当使用光遗传学在时间预测行为前（即 Alpha 波能量升高时）抑制视皮层的活动后，小鼠的时间预测行为会收到很大的干扰，这提示视皮层的活动确实在时间预测行为中起到了重要作用；

二是他们同步记录了几十个视皮层单个神经元的活动，并分析这些神经元在整个时间预测过程中的群体活动，结果发现初级视觉皮层中存在一群“时间序列”细胞，这些细胞会在视觉刺激的间隔期间按固定顺序放电，这种放电模式很可能起到存储时间长度信息的作用；

三是初级视觉皮层中还存在一群“带节奏”细胞，这些细胞的活动具有可塑性，会跟随外界的规律刺激而产生逐步增强的有规律的活动，也就是带节奏的能力随着刺激数量的增多会不断增强。

基于此，该团队根据小鼠实验结果，提出了一个计算模型，其中包含“时间序列细胞”“双吸引子网络”、“符合 BCM 规则的突触可塑性规则”等理论。这个计算模型能够解释视皮层在一定时间间隔产生预测性脑电活动的原因，提供了脑处理时间信息的可能机制。

近日，相关论文以《视觉皮层编码人类和小鼠的时间信息》（Visual cortex encodes timing information in humans and mice）为题发表在 Neuron 上，于庆鹏、毕则栋、姜时泽、颜彪、陈鹤鸣和王依婷是第一作者，张嘉漪研究员、复旦大学附属华山医院毛颖经理和陈亮主任担任共同通讯作者[1]。

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图 | 相关论文（来源：威廉希尔Neuron）

张嘉漪表示：“审稿人对‘初级视觉皮层几乎独立地进行了时间信息的预测任务’的发现表示惊讶。认为这项工作从多个角度（人、小鼠、模型）对脑的时间信息处理机制展开研究，是一项 powerful 的工作；认为我们的工作为时间感知领域带来了新的以及重要的见解。”

就研究过程来说，主要分为三个阶段：

第一阶段，观察实验现象。在小鼠视皮层的电生理记录中，该团队发现给予小鼠周期性光刺激，小鼠视皮层会在光刺激结束后发生 reverberation 活动，这一活动离上一次光刺激结束的时间刚好和光刺激的周期相吻合。类似现象在小鼠的听觉皮层也被其他团队观察到。“这一简单的电生理现象引发了我们的思考，结合生物界时间间隔信息的重要性，我们提出了一个问题：皮层发生的 reverberation 活动是一些‘无用’的自发活动呢，还是和时间信息处理相关的重要活动？”课题组表示。

第二阶段，基于上述猜想在小鼠中进行验证。他们设计了预测时间间隔信息的小鼠行为学实验，确定小鼠存在时间预测行为，从而在清醒小鼠中实施脑电记录实验，验证了小鼠的 reverberation 活动确实和小鼠的时间预测行为有关，并且从细胞水平解析了视皮层神经环路中和时间预测相关的可塑性变化。

第三阶段，在人类身上验证结论。“我们很有幸地通过和复旦大学附属华山医院神经外科的合作，获得了在癫痫病人植入电极后人脑颅内 Stereo-electroencephalograph（SEEG）电信号记录的宝贵机会，”该团队说。

这些病人通常智商正常，在接受电极植入手术后的 1-2 周内均处于清醒状态，能够理解根据行为学实验设计所给出的指令，并积极配合完成实验任务。“同时，我们对在这个工作中参与的 11 位病人及其家属的科学奉献精神表示崇高的敬意。”研究人员表示。

对于应用前景，课题组的几位成员分别进行了展望。

其中，颜彪表示，对于机器视觉或者无人驾驶，或许可以结合现有模型为感知周围时间相关的信息，提供灵感和支持。

陈鹤鸣认为，对于一些注意力缺陷的患者来说，如果能够更好地感知时间间隔，患者对一些事物的专注度将会更加集中；对于一些陷入负面情绪的人来说，如果能够人为缩短时间间隔感知，可以帮助他们更快地从负面情绪中走出来。

王依婷也认为，对于注意力容易分散的人，可能可以通过结合特定行为范式和电刺激加强他对时间间隔的感知，帮助集中注意力。

李可馨也表示，可以通过视觉刺激和训练，有意识地加强人对时间的把控，提高短时范围内的注意力。

而在后续，他们将继续和复旦大学附属华山医院毛颖经理、以及陈亮主任的团队合作，开展人脑视觉相关功能的研究。

参考资料：

1.Yu, Q., Bi, Z., Jiang, S., Yan, B., Chen, H., Wang, Y., ... & Zhang, J. (2022). Visual cortex encodes timing information in humans and mice. Neuron.

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