2022年10月3日，復(fù)旦大學(xué)附屬華山醫(yī)院院長(zhǎng)、天橋腦科學(xué)研究院轉(zhuǎn)化中心（Tianqiao and Chrissy Chen Institute for Translational Research）主任毛穎教授與華山醫(yī)院神經(jīng)外科教授、天橋腦科學(xué)研究院（TCCI）研究員陳亮等在Neuron上發(fā)表了名為“Visual Cortex Encodes Timing Information in Humans and Mice”的文章，揭示了視皮層編碼時(shí)間預(yù)測(cè)信息的重要機(jī)制。

大多數(shù)人類行為都涉及對(duì)時(shí)間和空間的感知。其中，對(duì)環(huán)境中不同時(shí)間間隔出現(xiàn)的各種信號(hào)的感知和預(yù)測(cè)對(duì)動(dòng)物的生存和演化意義重大。大腦不僅需要對(duì)大時(shí)間尺度的信息進(jìn)行處理，比如對(duì)晝夜節(jié)律的感知主要由下丘腦的視交叉上核驅(qū)動(dòng)，也需要在非常短的時(shí)間尺度內(nèi)處理信息，比如及時(shí)躲避天敵。動(dòng)物必須有效地對(duì)不同的時(shí)間信號(hào)作出準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)，但人們對(duì)大腦如何表征秒到十秒量級(jí)內(nèi)的時(shí)間信息知之甚少。

為了弄清楚在秒到十秒量級(jí)的時(shí)間感知中，哪些腦區(qū)發(fā)揮關(guān)鍵作用，研究團(tuán)隊(duì)使用能夠以毫秒時(shí)間分辨率測(cè)量顱內(nèi)電活動(dòng)的多通道腦電（SEEG）進(jìn)行研究。通過記錄、分析人腦中28個(gè)腦區(qū)的顱內(nèi)SEEG信號(hào)，團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)在作出時(shí)間信息預(yù)測(cè)行為前，初級(jí)視皮層的腦電顯示出兩個(gè)特征：alpha波段能量上升以及delta波段出現(xiàn)相位同步。

人腦初級(jí)視皮層中時(shí)間信息預(yù)測(cè)相關(guān)活動(dòng)

為了進(jìn)一步解決介導(dǎo)這種時(shí)間預(yù)測(cè)行為的細(xì)胞和環(huán)路機(jī)制，團(tuán)隊(duì)?wèi)?yīng)用光遺傳和在體膜片鉗記錄等多項(xiàng)實(shí)驗(yàn)技術(shù)對(duì)小鼠進(jìn)行了研究。結(jié)合行為學(xué)實(shí)驗(yàn)，團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)小鼠的時(shí)間預(yù)測(cè)行為與人類相似，也與初級(jí)視皮層的腦電能量高度相關(guān)。此外，研究還發(fā)現(xiàn)部分視皮層神經(jīng)元存在與時(shí)間信息預(yù)測(cè)相關(guān)的興奮性增強(qiáng)，且興奮性增強(qiáng)的視皮層神經(jīng)元存在順序放電的顯著特征。

在這些生物學(xué)實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，團(tuán)隊(duì)提出了基于雙層吸引子和時(shí)間細(xì)胞（time cell）的皮層計(jì)算模型，該計(jì)算模型揭示了視皮層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在處理秒級(jí)時(shí)間信息時(shí)存在自我修正的可塑性規(guī)律。通過這種可塑性變化規(guī)律，視皮層能對(duì)視覺的時(shí)間預(yù)測(cè)信息進(jìn)行編碼，從而顯著推進(jìn)了對(duì)大腦時(shí)間預(yù)測(cè)機(jī)制的認(rèn)識(shí)。

人和小鼠時(shí)間預(yù)測(cè)行為、腦電信號(hào)及時(shí)間細(xì)胞可塑性示意圖

此次研究不僅證明了以秒為尺度的時(shí)間信息主要通過局部振蕩在視皮層中表征來指導(dǎo)行為，還開辟了通過人類SEEG記錄與小鼠環(huán)路水平研究相結(jié)合的方式，來解剖大腦網(wǎng)絡(luò)的可能性。