2022年2月25日， NeuroImage 在線刊發了beat365官方网站、麥戈文腦科學研究所納家勇治研究員課題組的文章“Distinct networks coupled with parietal cortex for spatial representations inside and outside the visual field”。

我們定位物體位置的能力依賴于大腦對“以自我為中心”空間的編碼(egocentric space)，egocentric空間由位于視野内的空間(例如身體前方的可視區域)，以及位于視野外的空間（例如身體後方的不可視區域）組成（Stein, 1989）。然而，以往的研究着重探索了大腦編碼視野内空間的神經表征（Abrahams et al., 1997; Wolbers et al., 2008; Guterstam et al., 2015），卻忽視了視野外空間被編碼的腦機制。有行為學結果發現，當人們定位身體後方物體的時候，相比于定位身體前方的物體，表現出了正确率低（Attneave and Farrar, 1977）、反應時長（Sholl, 1987）的差異，這個現象被稱為“alignment”效應 （Presson and Hazelrigg, 1984）或 “front facilitation” 效應 （Kelly and McNamara, 2009），并建議我們身體周圍的外部空間可能是依靠不同的腦機制來編碼的。為了驗證這個假說，本課題利用fMRI和MEG方法定位了編碼視野内和視野外空間的神經網絡。

本實驗中，我們采用了一個基于3D遊戲引擎的空間記憶任務（Fig. 1a）（Zhang and Naya, 2020）。被試在每個實驗試次以第一人稱視角向3個呈三角形站位的卡通玩偶行走，并停在玩偶中間圓木上（walking 階段），這是為了讓大腦先實現對3個物體（玩偶）的位置關系編碼。随後，3個玩偶中的其中一個出現在了遊戲場景中，提示被試在剛剛停下的位置，他們的身體朝向已經發生變化，朝向了屏幕上的玩偶（facing 階段）。接下來，另一個玩偶以圖片的形式被呈現在屏幕上，此時被試需要判斷圖片上的玩偶在自己身體的什麼方位（targeting 階段），選項包括自己身體的左邊、右邊、或者後邊。該任務允許我們對比大腦對視野内（身體左和右邊）和視野外（身體後邊）空間的表征差異。同時結合控制條件（在facing 和 targeting階段，屏幕上僅呈現fixation，不要求被試執行空間任務），實現對視野内和視野外空間的神經表征和網絡定位。

Fig.1空間記憶任務示例。(a)被試在每個試次經曆3個階段：walking階段，被試朝向3個卡通玩偶行走并最終停在玩偶之間的圓形木闆上；facing階段，其中一個玩偶出現在場景中，提示被試當前的面朝方向；targeting階段，另一個玩偶以圖片的形式被呈現，被試需定位該玩偶相對于自己身體的方向，并在choice階段做出選擇。（b）Targeting 階段，被試和3個玩偶的空間關系示意圖，圖片上的“藍色”玩偶在被試的身體後邊。

通過比較定位視野内與定位視野外物體時的腦活動，fMRI和MEG的實驗結果一緻顯示，大腦frontoparietal網絡在定位視野内物體時，相較于定位視野外物體，展現出了更強的腦活動（Fig.2a,b,e,g）。而定位視野外物體時，表現出更強活動的腦區集中在了腦MTL-parietal網絡，值得一提的是，該腦網絡對視野内空間的編碼也表現出了選擇性活動增強（Fig.2c,d,f,g，詳見文章）。通過對擁有高時間分辨率的MEG數據進一步挖掘發現，腦MTL-parietal網絡的活動增強信号集中在targeting階段開始後的0.25-0.37s時間段，而腦frontoparietal網絡的活動增強信号集中在相對較遲的0.67-0.85s的時間段。這些發現，與“front facilitation” 效應一緻，建議視野内與視野外物體的定位是由腦frontoparietal網絡和MTL-parietal網絡分别編碼的。同時，大腦頂葉（parietal cortex）可能表征了我們身體周圍的完整空間，它通過與MTL通訊完成對過去信息的整合，通過與包括輔助運動區、眼動區在内的額葉腦區通訊發送未來運動信号。

Fig.2 fMRI 與 MEG 實驗結果. (a, b) 大腦frontoparietal網絡在定位視野内（位于身體左、右側）物體時，相較于定位視野外物體，展現出了更強的腦活動. (c, d) 腦MTL在編碼視野外物體時，相較于編碼視野内物體，表現出更強活動。(e, f) fMRI功能連接分析結果與 (a, b, c, d)結果一緻，建議大腦頂葉在視野内/外兩個實驗條件下分别與frontal腦區與MTL腦區存在功能連接。 (f) 大腦頂葉分别與眼動區/輔助運動區 (腦frontoparietal網絡, 黃線) ，以及内嗅皮層/鼻周皮質 (腦MTL-parietal網絡, 藍線) 的MEG alpha 頻段信号分别在0.25-0.37s / 0.67-0.85s 時間段的相位耦合強度結果。

論文鍊接: https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1053811922001707

該課題由國家自然科學基金，中央高校基本科研項目資金，和國家科技創新2030項目資金資助完成。已畢業博士生張博為論文的第一作者，納家勇治研究員為本文通訊作者。

參考文獻

Stein, J. F. (1989). Representation of egocentric space in the posterior parietal cortex. Q J Exp Physiol, 74(5), 583-606. https://doi.org/10.1113/expphysiol.1989.sp003314

Abrahams, S., Pickering, A., Polkey, C. E., & Morris, R. G. (1997). Spatial memory deficits in patients with unilateral damage to the right hippocampal formation. Neuropsychologia, 35(1), 11-24. https://doi.org/10.1016/s0028-3932(96)00051-6

Wolbers, T., Hegarty, M., Buchel, C., & Loomis, J. M. (2008). Spatial updating: how the brain keeps track of changing object locations during observer motion. Nat Neurosci, 11(10), 1223-1230. https://doi.org/10.1038/nn.2189

Guterstam, A., Bjornsdotter, M., Gentile, G., & Ehrsson, H. H. (2015). Posterior cingulate cortex integrates the senses of self-location and body ownership. Curr Biol, 25(11), 1416-1425. https://doi.org/10.1016/j.cub.2015.03.059

Presson, C. C., & Hazelrigg, M. D. (1984). Building spatial representations through primary and secondary learning. J Exp Psychol Learn Mem Cogn, 10(4), 716-722. https://doi.org/10.1037//0278-7393.10.4.716

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Attneave, F., & Farrar, P. (1977). The visual world behind the head. Am J Psychol, 90(4), 549-563. https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/610446

Sholl, M. J. (1987). Cognitive maps as orienting schemata. J Exp Psychol Learn Mem Cogn, 13(4), 615-628. https://doi.org/10.1037//0278-7393.13.4.615

Zhang, B., & Naya, Y. (2020). Medial Prefrontal Cortex Represents the Object-Based Cognitive Map When Remembering an Egocentric Target Location. Cereb Cortex, 30(10), 5356-5371. https://doi.org/10.1093/cercor/bhaa117

2022-03-04