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张朋课题组通过7T功能磁共振技术揭示人类视皮质区层特异的注意调控机制

发布时间:2020年08月17日

  2020年8月17日,《Progress in Neurobiology》杂志在线发表了中国科学院生物物理研究所脑与认知科学国家重点实验室张朋课题组的最新研究成果: "Layer-dependent multiplicative effects of spatial attention on contrast responses in human early visual cortex"。在生物物理所脑成像磁共振平台的支持下,张朋课题组在中国率先发展了基于超高磁场(7 Tesla)的高分辨率功能磁共振成像(fMRI)技术,并应用于人脑认知科学研究。本研究通过亚毫米分辨率的多模态分层fMRI 技术研究了注意如何通过前馈和反馈通路调节人类视皮层的对比度信息加工。研究结果表明,自上而下的空间注意主要通过反馈通路调制人脑视皮层表层和深层的对比度响应,表现为乘性增益;而注意对前馈输入相关的V1中间层的调制较弱,表现为对比度敏感度提升。通过比较对大血管敏感的T2* BOLD(血氧水平依赖)信号和对毛细血管(更接近神经活动)敏感的T2 BOLD信号的注意调制效应,该研究从功能磁共振成像的原理上解释了电生理信号和传统T2* BOLD fMRI信号在注意调控机制上的长期分歧。研究说明了基于超高磁场的高分辨率高特异性的功能磁共振技术对人脑认知科学研究的独特性和重要性。

  注意是人脑重要的高级认知功能,能够有效分配大脑有限的认知资源,选择性处理重要的信息。人类视觉注意相关的神经环路机制目前并不清楚。如下图所示,注意可能通过三条神经通路调制视皮层的反应,包括皮层-皮层反馈,丘脑-皮层反馈,以及皮层下前馈通路。这三条通路分别调制视皮层表层和深层的神经活动(皮层-皮层反馈),表层的神经活动(丘脑-皮层反馈),或中间层的神经活动(前馈通路)。因此,通过分层功能磁共振方法可以对这些假设进行直接的验证。

  研究者首先使用亚毫米分辨率(0.75mm各向同性)的GE-EPI序列采集了人类被试V1,V2和V3视觉区的T2* BOLD fMRI信号。通过等体积方法进行皮层深度计算,并通过空间线性回归方法缓解部分容积效应,获得了灰质表层,中间层和深层的对比度反应。结果发现注意对T2* BOLD对比度反应曲线的调制表现为加性效应。相比于皮层中间层,注意对于对比度反应的调制在初级视觉皮层V1的表层和深层更强,支持皮层-皮层反馈通路的注意调制假设;而次级视皮层V2和V3的注意效应主要发生在表层,支持丘脑-皮层反馈的假设。这些发现说明自上而下的空间注意主要通过下行的反馈通路调制视皮层表层和深层的神经活动。

优游平台官网注册  为了进一步验证实验结果,研究者使用0.3mm层内超高分辨率的b-SSFP (平衡稳态自由进动) 序列获取了V1灰质不同深度的T2 BOLD fMRI信号。相比于T2* BOLD对大血管非特异性信号的高敏感性,T2 BOLD 对灰质毛细血管的氧血红蛋白浓度更加敏感,因此更加接近神经活动。结果显示注意对V1灰质的T2 BOLD信号调制主要表现为乘性增益,即在高对比度条件下注意效应更强,位于V1的表层和深层;而注意对低对比度反应的调制在中间层最强,表现为对比度敏感性提升。BOLD fMRI的生物物理模型(Davis model)的模拟结果表明相对于小血管T2 BOLD,大血管的T2* BOLD信号和神经活动之间有更强的非线性关系,使得注意的乘性增益表现为加性效应。

  综上,本研究利用7T多模态分层fMRI技术,揭示了人脑空间注意与前馈和反馈神经通路相关的调控机制,并且从功能磁共振成像的原理上解释了电生理信号和传统BOLD fMRI信号在注意调控机制上的长期分歧。该研究证明了超高场多模态高分辨率功能磁共振技术在人脑认知科学研究中的独特性和重要性。生物物理所研究生刘成文、郭樊华为论文的共同第一作者,张朋研究员是论文的通讯作者,何生研究员对认知实验范式提出了重要的建设性意见,南加州大学的王炯炯教授对磁共振物理进行了指导。张紫豪博士是生物物理所7T磁共振平台的管理员。钱晨灿博士在磁共振数据处理方面提供了技术支持。该研究得到了中国自然科学基金委员会和北京市科学技术委员会的项目资助。

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(供稿:张朋研究组)

 

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