神经振荡相位（phase of neural oscillations）或是视觉皮层中注意力切换的参考框架

2024-05-29 Wed
视觉系统的选择性注意是如何在特定行为环境下优化感知和处理视觉信息的关键问题之一。尽管以往的研究分析了单个神经元动作电位频率在信息传递中的关键作用，但对单个神经元相对于其邻近神经网络的活动如何有效地表示和传递注意信号的理解仍然有限。本研究假设神经元相对于邻近网络的神经振荡相位（phase of neural oscillations）作为注意切换的参考框架，可能在视觉皮层中起到重要作用，并且进行了一系列实验来验证该假设。
论文来源本文由Ehsan Aboutorabi (Schulich School of Medicine and Dentistry, Robarts Research Institute)、Sonia Baloni Ray (Indraprastha Institute of Information Technology)、Daniel Kaping (Helmholtz Centre for Environmental Research)、Farhad Shahbazi (Isfahan University of Technology)、Stefan Treue (German Primate Center, University of Goettingen)和Moein Esghaei (Westa Higher Education Center, German Primate Center)联合撰写。2023年12月23日，该论文发表在知名期刊《Progress in Neurobiology》上，并且可以在线获取。
研究流程实验对象和任务研究对象为两只狨猴（Macaca mulatta）。实验通过固定头部的狨猴在显示器前，进行一个视觉注意任务。在任务中，猴子需要注视中央固定点，并根据指示将注意力转移到特定的螺旋运动图案上，以获得液体奖励。记录猴子视觉皮层内的局部场电位（local field potentials, LFPs）和单细胞活动，以分析神经元活动与LFP相位的关系。
数据记录和处理数据记录：使用三通道微驱动系统记录神经元活动，采用40kHz采样频率记录。
LFP和单元活动分析：对记录的LFPs进行频率滤波，分析不同频段内的相位分布。同时，将神经元的动作电位与所对应频段内的LFP相位进行比较。
适应性神经延迟模型：建立了包含感觉和调控子网络的计算模型，通过调节突触延迟，评估不同突触延迟对神经元相位偏好值的影响。
实验步骤实验步骤包括训练猴子进行视觉注意任务，记录其视觉皮层MST区域的局部场电位和单细胞活动。采用频率滤波分析方法，比较了注意条件下的神经元动作电位在不同LFP频段上的相位分布，进一步利用计算模型模拟突触延迟对相位编码的影响。
主要研究结果神经元火焰相位锁定：发现神经元在周围网络20Hz ~ 24Hz的β振荡中显著锁定。当猴子将注意力集中在神经元受体野内时，锁定相位偏向后期阶段，与猴子报告视觉变化的速度正相关。
计算模型支持：模型结果表明，通过发放不同的突触延迟，可以操纵神经元与LFP β振荡相位的耦合，验证了新方法的有效性。
空间注意的相位依赖性：研究表明，注意力的空间分配显著调节了神经元的相位锁定现象，而这种调节对表现反应时间具有预测作用。
结论和研究价值本研究揭示了猴子视觉皮层MST区域内神经元的动作电位相对于附近网络LFP β振荡相位的锁定现象，并强调了空间注意在相位编码中的关键作用。这一发现有助于理解选择性注意如何通过相位锁定机制优化与注意相关的视觉信息传递，并且为未来的高层皮层区域如何解码注意焦点提供了新的思路。
研究亮点新的相位编码机制：研究首次提出并验证了通过调节突触延迟来操控LFP β振荡相位耦合的新方法。
理论支持与实验验证结合：结合了行为实验和计算模型验证的方式，有效支持了研究假设。
研究意义通过揭示视觉皮层内神经元相对于LFP的相位锁定现象，本研究为理解选择性注意的神经机制提供了新的视角，特别是如何利用神经振荡相位作为参考框架，提高相关信息传递的效率。这对未来开发新的神经修复和增强技术，优化人工神经网络等具重要指导意义。
附录该研究受到Deutsche Forschungsgemeinschaft的支持，数据可以通过figshare公开获取。本文对晶禾，Beatrix Glaser，Dirk Prüsse, 等技术支持表示感谢。
本报告通过详细解析和总结论文《Phase of neural oscillations as a reference frame for attention-based routing in visual cortex》，展示了选择性注意在猴子视觉皮层中的相位编码机制及其对信息传递的影响，为未来该领域的研究提供了宝贵的数据和理论支持。