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张嘉漪团队揭示视皮层在时间信息预测中的重要作用

  对环境中不同时间间隔出现的各种信号的感知和预测对动物的生存和演化意义重大。一个典型的例子是,要及时躲避天敌,动物必须有效地对不同的时间信号作出准确的预测。复旦大学脑科学研究院/医学神经生物学国家重点实验室张嘉漪团队,与复旦大学附属华山医院毛颖和陈亮团队合作,最近在时间信息预测研究方面取得重要进展,揭示了视皮层编码时间预测信息的重要机制。论文“Visual Cortex Encodes Timing Information in Humans and Mice”(人和小鼠视皮层编码时间信息)于2022年10月3日在线发表于《Neuron》(https://doi.org/10.1016/j.neuron.2022.09.008 )。
  合作团队首先通过记录、分析人脑中28个脑区的颅内多通道脑电(SEEG)信号,发现在作出时间信息预测行为前,视皮层的脑电显示出两个特征:alpha波段能量上升以及delta波段出现相位同步。在小鼠实验中,实验团队进一步应用光遗传和在体膜片钳记录等多项实验技术,并与行为学实验结合,发现小鼠的时间预测行为与人类相似,也与初级视皮层的脑电能量高度相关,此外还发现部分视皮层神经元存在与时间信息预测相关的兴奋性增强,且兴奋性增强的视皮层神经元存在顺序放电的显著特征。在这些生物学实验的基础上,合作团队提出了基于双层吸引子和时间细胞(time cell)的皮层计算模型,该计算模型揭示了视皮层神经网络在处理秒级时间信息时存在自我修正的可塑性规律。通过这种可塑性变化规律,视皮层能对视觉的时间预测信息进行编码,从而显著推进了对大脑时间预测机制的认识。

  这项工作是基础与临床两方面紧密合作的成果。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。该工作受到科技创新2030-“脑科学与类脑研究”重大项目、国家自然科学基金委、上海市重大专项和上海市基础研究特区等基金的支持。

人和小鼠时间预测行为、脑电信号及时间细胞可塑性示意图

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