2023年9月22日,浙江大学医学院系统神经与认知科学研究所的Hisashi Tanigawa副研究员课题组在《Cell Reports》上发表了题为“Mapping information flow between the inferotemporal and prefrontal cortices via neural oscillations in memory retrieval and maintenance”的最新研究结果。在这项研究中,该团队使用了从猕猴下颞叶和前额叶皮层记录的皮层脑电信号,成功地识别了猴子执行记忆任务时下颞叶和前额叶皮层之间在特定频率的信息流模式。他们发现,两个皮层主要通过θ波段交换与记忆相关的信息;在工作记忆维持过程中,信息交流增强,并在ITC形成集群,表明皮层的子区域在振荡记忆网络中起着关键节点作用。浙江大学医学院系统神经与认知科学研究所博士研究生周涛为本文第一作者,Anna Wang Roe教授和Hisashi Tanigawa副研究员为本文共同通讯作者。
原文链接:https://www.cell.com/cell-reports/fulltext/S2211-1247(23)01181-6
在日常生活中,我们需要根据学习经验选择应对不同场景的适当行动。因此,从记忆中提取信息并将其保存在工作记忆中以备将来使用的能力至关重要。视觉联想长期记忆的研究表明,下颞叶皮层 (inferotemporal cortex, ITC) 和前额叶皮层 (prefrontal cortex, PFC) 在视觉记忆提取和工作记忆维持过程中具有重要作用,并且两者之间存在双向的解剖学连接和功能性连接。PFC从ITC接收自下而上的视觉信息,此外还通过自上而下的信号调节ITC的视觉神经反应,特别是诱导与记忆提取相关的活动。因此,在视觉信息加工和视觉联想记忆提取方面,ITC和PFC之间存在自下而上和自上而下的信息流。
神经振荡被认为是不同脑区之间的信息传递的一种机制,不同频率的神经振荡可能反映特定区域之间信息传递的不同方式。在ITC和PFC中,电生理和成像研究揭示了表征面部、颜色和各种视觉特征的功能组织。此外,使用皮层脑电图 (electrocorticography, ECoG) 和模式分类分析的研究表明,与记忆提取有关的神经振荡在ITC中主要体现在θ波段 (4–8 Hz) 上。
图一 ITC和PFC通过神经振荡实现双向信息传输示意图
基于这些发现,作者团队假设,与记忆提取和工作记忆维持过程相关的信息流通过神经振荡有组织地分布在ITC和PFC中,并提出以下问题:与记忆提取相关的信息流在空间分布上是分散的还是聚集的?在这项研究中,作者团队通过与记忆提取和工作记忆维持相关的神经振荡来ITC和PFC之间的信息流,使用高密度ECoG记录和非参数格兰杰因果分析 (Granger causality, GC) 来回答这些问题。GC 可以通过测量一个时间序列中过去信号对预测另一个时间序列中当前信号的影响来可视化信号通道间的信息流,因此能够评估序列之间信息流的方向和大小。
研究者对两只猕猴进行了任务训练,要求它们执行一项颜色回忆任务,其中包括回想三种颜色(红色、绿色或蓝色)中的一种(图二)。猕猴需要将两组视觉刺激中的无色图形 (提示) 和着色图形 (目标) 关联记忆,当呈现一个无色刺激时,猕猴需要回忆起与之关联的着色图片。如果目标刺激的颜色与最开始呈现的无色刺激相关联 (如图中的绿色),则猕猴松开操纵杆并获得果汁奖励。这意味着这只猕猴应该在延迟期间回忆起了它应该响应的颜色。此外研究者还训练猕猴执行另一个注视任务作为对照,猕猴只需要注视无色提示刺激,不需要进行回忆和选择,并在延迟一段时间后松开操纵杆获得奖励。
图二 颜色回忆任务
通过植入的192通道电极阵列 (ITC中16✕8,PFC中8✕8,电极中心距为2.5mm),研究组记录了猕猴在执行这些任务期间ITC和PFC的皮层脑电信号。从记录的信号中提取不同频段的神经振荡信号,并使用非参数格兰杰因果方法来量化ITC和PFC的电极通道间相互影响的程度。
结果表明,猕猴在记忆提取和工作记忆维持过程中,ITC和PFC之间通过特定频带的神经振荡传输更多信息流。在θ波段,当延迟期内工作记忆维持处于较强的水平时,无论线索刺激如何,ITC中信息流增强的区域都以相似的模式出现并形成集群 (图三)。在延迟期间,ITC到PFC和PFC到ITC的θ波段信息流在两个皮层的相似区域增强,表明这些区域存在双向信息交换。
图三 回忆和注视任务在延迟阶段的格兰杰因果影响分布
此外,通过计算ITC和PFC内所有通道对另一皮层传输的信息流分布特征的相似性,并使用层级聚类 (Hierarchical clustering) 对具有高相似度信息流分布特征的通道进行聚类 (图四A),作者发现ITC中信息流增加的区域由流入PFC和流出PFC的不同模式的子区域组成 (图四B),这些ITC和PFC中聚集的子区域可能在记忆提取和工作记忆维持过程中作为皮层信息处理网络的节点。
图四 工作记忆维持期间ITC和PFC间在θ频段具有相似信息流传输模式的子区域的分布示意图
总结
Hisashi Tanigawa 副研究员
博士于2001年在日本大阪大学医学院获得博士学位。 随后,他分别于日本理化学研究所脑科学综合研究中心(2002年到2006年) 、 美国范德比尔特大学心理所(2007年到2011年)从事博士后工作。 随后,他担任了日本新潟大学医学院的助理教授(2011年至2013年) 、 以及新潟大学跨学科学术中心的副教授(2013年到2017年) 。 在2017年5月,他正式加入浙江大学。
研究方向:
课题组的研究目标是在灵长类大脑皮层中探索高级认知功能(如物体识别,注意,工作记忆,长时程记忆)背后的神经机制。我们的研究着手于猕猴腹侧视觉通路,以及前额叶皮层的功能和解剖结构。实验室在猕猴上采用多种实验技术(包括内源信号光学成像,皮层脑电图,多电极阵列记录, 近红外神经刺激,神经示踪)开展这些研究工作。
实验室主页:
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