Neuron | 复旦大学张嘉漪/陈亮/毛颖揭示编码时间预测信息的新神经机制

时间在我们的日常生活中很重要，但我们对人脑如何调节秒级时间感知的理解是有限的。

2022年10月3日，复旦大学张嘉漪、陈亮及毛颖共同通讯在Neuron （IF=19）在线发表题为“Visual cortex encodes timing information in humans and mice”的研究论文，该研究表明人类和小鼠的视觉皮层可以编码时间信息。该研究结合癫痫患者的颅内立体脑电图(SEEG)记录和小鼠的回路解剖显示，视觉皮层(VC)编码时间信息。该研究首先要求人类参与者执行一个间隔计时任务，发现VC是一个关键的计时大脑区域。

在小鼠身上进行了光遗传学实验，发现VC在间隔时间行为中起着重要作用。该研究进一步发现，VC神经元以一种保持时间的顺序方式放电，并表现出按时间方式增加的兴奋性。最后，该研究用一个计算模型演示了一个生成具有标量时序性的间隔时间活动的自校正学习过程。该工作揭示了VC中发生在秒到十秒范围内的局域振荡是如何将来自外部世界的时间信息联系起来以指导行为的。

大多数人类行为都涉及对空间和时间的感知。人类大脑组织感官投射，包括听觉、视觉和地点地图，以感知外部世界的空间。对24小时量级时间的感知，即昼夜节律，主要是由下丘脑的视交叉上核驱动的。对秒到十秒量级的时间模式的感知和预测是估计接近动物的捕食者以及人类的运动、舞蹈和音乐表现的先决条件。然而，人们对人类大脑中秒到十秒范围内的计时表示还知之甚少。

我们对与时间相关的人类大脑结构的了解，大多来自于使用功能性磁共振成像(fMRI)、脑电图(EEG)和脑磁图(MEG)的研究。这些研究揭示了在计时任务中不同的与计时相关的大脑网络，其速度从秒到十秒不等。例如，基底神经节、丘脑、脑岛和扣带顶叶皮层网络通常与间隔时间任务有关。相位分析显示，视觉和听觉皮层中的θ和α波段振荡在时间学习任务中起着重要作用。这种关联被经颅刺激研究与人类V1局部扰动进一步证实。这些研究为识别与时间相关的大脑区域提供了重要证据。然而，功能磁共振成像研究依赖于对神经活动的间接测量，时间分辨率有限。虽然非侵入性脑电图信号具有毫秒级的时间分辨率，但当穿透头皮和颅骨时，信号质量下降。

机理模式图（图源自Neuron ）

为了解决哪些大脑区域在人类秒到十秒量级的时间感知中发挥关键作用的问题，作者利用了对11名癫痫患者进行的立体脑电图(SEEG)记录来进行癫痫发作定位。SEEG允许在执行间隔计时任务的清醒人类中以毫秒时间分辨率测量颅内电活动。这些录音是在参与者每天执行间隔计时任务的1周内录制的。通过对28个记录的脑区进行功率和相位分析，作者提出视觉皮层(VC)是间隔时间行为的关键脑区。

为了进一步解决介导这种计时行为的细胞和电路机制的问题，作者利用了小鼠的回路解剖工具。与人类类似，小鼠也可以在视觉刺激下识别和学习时间序列或视觉提示奖励时机。类似于人类的时间预测范式，作者在小鼠身上进行了同步延续行为实验。为了探索时间信息在初代VC (V1)中的表达，作者对V1进行了活体细胞附着记录和种群记录，揭示了V1神经元的可塑性变化和时间保持特性。计算建模进一步说明了V1电路中表示时间信息的机制。该研究表明，初级VC作为一个局部中心，通过内在回路动力学来表示视觉提示的时间信息。

张嘉漪、陈亮、毛颖为该论文共同通讯作者；于庆鹏、毕则栋、姜时泽、颜彪、陈鹤鸣、王依婷为论文的共同第一作者，多名研究生及技术人员参与了本项研究。

原文链接：

https://www.cell.com/neuron/fulltext/S0896-6273(22)00813-3#%20

转自：“iNature”微信公众号

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