人類習慣性地以視覺感知為主導進行信息的接收與處理。視覺信息傳遞系統作為環境與大腦之間的橋梁，承載着外部世界信息向神經系統的轉換，為我們感知世界構建基礎。在這方面的研究曆程中，标志性的一步是在1959年Hubel和Wiesel對哺乳類動物初級視覺皮層中神經元的感受野進行描述，從而開辟了視覺科學研究的新紀元。半個多世紀以來，通過對清醒猿類和經基因編輯的小鼠模型的實驗研究，科學家們已逐步加深了對視覺神經機制的洞察。在此基礎上，研究者們進一步探索了将動物實驗中所獲得的知識闡釋人類視知覺規律的可能性。然而，盡管取得了一定進展，但我們對于人類視覺神經元特性的具體認知仍然相對缺乏。
近日，beat365官方网站、IDG麥戈文腦科學研究所、北大-清華生命科學聯合中心方方/王茜團隊在Science China Life Sciences在線發表了題為“Local field potentials, spiking activity, and receptive fields in human visual cortex”的研究論文。該團隊運用顱内微電極技術，在人類視皮層成功同步記錄了視覺刺激誘發的局部場電位（local field potential, LFP）與單神經元放電活動，闡釋了單神經元活動與場電位不同頻率成分的功能關聯。
顱内微電極與人類視皮層神經元放電活動（原文圖3）
研究發現，相較于LFP中的低頻活動（0.5 – 30 Hz），由低伽馬（30 – 60 Hz）和高伽馬（60 – 150 Hz）活動測得的感受野更小，其空間範圍非常接近由神經元放電活動測得的感受野。同時，低伽瑪和高伽瑪活動的時序特征也與神經元放電活動特性高度相似。這些結果均表明，低伽瑪和高伽瑪活動在早期視覺信息處理中具有關鍵功能。
LFP不同頻率成分感受野大小比較（原文圖2）
目前，國際上人類顱内電記錄采用較多的是宏電極技術，其電阻在20-50 kΩ左右，能記錄到較大範圍場電位。相比之下，微電極電阻在1MΩ以上，能記錄到非常高空間分辨率的局部場電位和單神經元動作電位。然而，掌握人類顱内微電極技術的團隊屈指可數，如美國UCLA的Itzhak Fried組(Nature Neuroscience, 2022, 25: 935-943)、美國Cedars-Sinai Medical Center的Ueli Rutishauser組(Science, 2022, 367: eabm9922)、德國University of Bonn Medical Center 的癫痫中心課題組 (Neuron, 2018, 100: 753-761)等。利用顱内微電極技術探究認知功能的研究目前在國内幾乎是空白。本研究是首例描述人類初級視皮層單神經元活動和場電位的定量研究，有望對理解人類視知覺原理産生深遠的影響。
課題組已出站博士後（現任北京體育大學心理學院講師）羅路博士、首都醫科大學三博腦科醫院王雄飛副教授為文章共同第一作者，beat365官方网站方方教授、王茜助理研究員為文章共同通訊作者。beat365官方网站魯君實工程師，課題組博士生陳冠鵬、首都醫科大學三博腦科醫院栾國明教授以及北京師範大學李武教授亦為本文做出重要貢獻。該工作得到了北大-清華生命科學聯合中心、科技部、國家自然科學基金委的資助。
參考文獻：
Fu, Z., Beam, D., Chung, J. M., Reed, C. M., Mamelak, A. N., Adolphs, R., & Rutishauser, U. (2022). The geometry of domain-general performance monitoring in the human medial frontal cortex. Science, 376(6593), eabm9922.
Hayat, H., Marmelshtein, A., Krom, A. J., Sela, Y., Tankus, A., Strauss, I., Fahoum, F., Fried, I., & Nir, Y. (2022). Reduced neural feedback signaling despite robust neuron and gamma auditory responses during human sleep. Nature Neuroscience, 25(7), 935–943.
Hubel, D. H., & Wiesel, T. N. (1959). Receptive fields of single neurones in the cat's striate cortex. The Journal of Physiology, 148(3), 574-591.
Kutter, E. F., Bostroem, J., Elger, C. E., Mormann, F., & Nieder, A. (2018). Single Neurons in the Human Brain Encode Numbers. Neuron, 100(3), 753–761.
2024-12-16