TCCI研究团队揭示视皮层如何编码时间信息

2022年10月3日，复旦大学附属华山医院院长、天桥脑科学研究院转化中心（Tianqiao and Chrissy Chen Institute for Translational Research）主任毛颖教授与华山医院神经外科教授、天桥脑科学研究院（TCCI）研究员陈亮等在Neuron上发表了名为“Visual Cortex Encodes Timing Information in Humans and Mice”的文章，揭示了视皮层编码时间预测信息的重要机制。

大多数人类行为都涉及对时间和空间的感知。其中，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。大脑不仅需要对大时间尺度的信息进行处理，比如对昼夜节律的感知主要由下丘脑的视交叉上核驱动，也需要在非常短的时间尺度内处理信息，比如及时躲避天敌。动物必须有效地对不同的时间信号作出准确的预测，但人们对大脑如何表征秒到十秒量级内的时间信息知之甚少。

为了弄清楚在秒到十秒量级的时间感知中，哪些脑区发挥关键作用，研究团队使用能够以毫秒时间分辨率测量颅内电活动的多通道脑电（SEEG）进行研究。通过记录、分析人脑中28个脑区的颅内SEEG信号，团队发现在作出时间信息预测行为前，初级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。

人脑初级视皮层中时间信息预测相关活动

为了进一步解决介导这种时间预测行为的细胞和环路机制，团队应用光遗传和在体膜片钳记录等多项实验技术对小鼠进行了研究。结合行为学实验，团队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，研究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，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。

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

此次研究不仅证明了以秒为尺度的时间信息主要通过局部振荡在视皮层中表征来指导行为，还开辟了通过人类SEEG记录与小鼠环路水平研究相结合的方式，来解剖大脑网络的可能性。