研究知觉个体差异背后的神经机制

- 编辑:大众自然网 -

研究知觉个体差异背后的神经机制

印度哈里亚纳邦国家大脑研究中心的研究人员最近进行了一项研究,探索不同人感知多感官刺激方式不同背后的神经机制。他们的论文发表在《欧洲神经科学杂志》(European Journal of Neuroscience)上,介绍了一种生物物理模型,该模型可以将不同个体的结构和大脑功能的变化与他们在与感知相关的任务中的表现联系起来。

“我们的实验室研究的是在感知和行动过程中,在大型功能性大脑网络中运作的神经机制,”进行这项研究的研究人员之一Arpan Banerjee告诉MedicalXpress。“这是一种修正主义观点,来自于对竖井中的大脑区域的研究,在涉及认知的特定任务中运作。”

过去对人类多感官能力的研究发现,大脑中有一些区域可能与处理刺激有关。然而,这些区域如何相互交流仍然是一个悬而未决的问题,目前世界各地的几个研究团队正在探索这个问题。

这个问题的一个特别的方面仍然是难以捉摸的,那就是这些大脑区域之间的交流是否有特定的大脑节奏,对于一个被称为“麦高克效应”的常见错觉,频繁的感知者和罕见的感知者之间可能会有所不同。当人们听到一种声音,同时受到与另一种声音相关的视觉刺激时,就会产生麦高克效应,这可能会导致人们对听到的东西产生不稳定的感觉。人们被这种错觉“愚弄”的程度各不相同,然而这种感知变化背后的神经机制并不完全清楚。

Banerjee说:“这项研究的目的是确定一种度量标准(神经标记),它能捕捉这项任务中个体间的差异,并通过真实的大脑动力学计算机模拟来解释这种标记。”

利用傅里叶变换等数学函数进行信号处理在以往的脑电图研究中得到了广泛的应用。这些技术已被证明在识别特定于大脑特定区域的节奏或捕捉两个大脑区域相互交流的频率方面特别有用。

“脑电图技术有一个局限性,即它们测量的是间接发生在大脑皮层和大脑外部头皮层面的活动,”Banerjee说。“因此,需要先进的算法来发现源信号,这也需要将数据与使用核磁共振技术捕获的大脑结构图进行比对。”我们假设,由斯科特·凯尔索(Scott Kelso)、史蒂夫·布莱斯勒(Steve Bressler)和吉多·诺尔特(Guido Nolte)领导的研究小组率先提出的“全球一致性”等指标,可以用来追踪大型大脑网络之间的协调动态。

Banerjee和他的同事使用先进的算法来预测发生在不同大脑区域之间的通信的源级指标,基于对大规模大脑网络的真实模拟。最后,他们确定了与McGurk错觉感知有关的大脑区域的源级激活,使用的波束形成技术来源于对呈现这些错觉的人的脑电图数据的无线电复制,使用的著名方法称为皮层源的动态成像(DICS)。

这个程序允许他们直接从原始脑电图数据计算源级网络测量,然后将神经质量模型的预测与大脑协调动力学的经验证据进行比较。最终,研究人员发现,参与者对麦高克错觉的敏感性与特定的神经活动模式(即他们的alpha波段整体一致性)呈负相关。

Banerjee说:“这种通过质量模型预测和来源指标验证的方法是本研究中使用的一种新工具,以前从未应用过,至少就我们所知是这样。”“因此,除了在经验方面识别稀有感知者的全球阿尔法一致性外,我们的工作还引入了方法论领域的创新。”

Banerjee和他的同事们提出的新的生物物理模型描述了一系列神经团和这些团之间的功能耦合模式,这些模式导致了在个体同时感知不同种类的感官刺激(如听觉和视觉)时发生的大规模大脑网络动态。这些神经团块捕获参与处理听觉、视觉和多感官刺激的主要大脑区域的平均活动。

“非常简单地说,在动物和解剖学研究的经验证据整理的支持下,单个大脑区域的处理速度是可以区分的,”开展这项研究的研究人员之一Dipanjan Roy告诉MedicalXpress。“在这项工作中模拟的具体功能耦合和它们的组合是基于现实的视听(AV),听觉-多感官(AM)和视觉-多感官(VM)大脑区域可以在交叉模态感知中重建连贯动态的整体变化。”

研究人员设计的模型做出了一些预测。最重要的一点是,罕见的麦高克错觉感知者(即那些不太容易受到这种错觉影响的人)比频繁感知者表现出更高的直接听觉-视觉耦合。这个预测后来也被Banerjee、Roy和他们的同事所使用的源连接性地图所证实。

“我们的研究在跨通道感知科学文献,做出了重要的贡献,因为它之前仍然相当难以捉摸的早期定义如何大规模脑网络动力学之间的感觉和知觉能增加高阶认知领域及其变化在不同的多种感觉的知觉加工在参与者,”罗伊说。“这一发现当然不限于视听处理,但非常自然地为其他多感官领域铺平了道路,例如,视觉和声音与触觉、嗅觉、自我运动和味觉。”

过去的研究发现,有证据表明,在特定的大脑节律中,不正常的同步模式可能部分导致了老年人或一些精神障碍患者的多感官缺陷,包括自闭症、精神分裂症和阿尔茨海默病。然而,到目前为止,研究人员还不能清楚地描绘出与多感官处理相关的大脑频带中产生相干和退相干的动力机制。

Banerjee和Roy,以及他们的研究生G. Vinodh Kumar和Shrey Dutta,收集了新的有价值的见解,可能有助于阐明这些机制,从而拓宽了目前对支持个体感知差异的神经机制的理解。首先,研究人员发现,那些没有察觉到麦高克错觉的人,与察觉到的人相比,阿尔法频带的整体一致性有所增强。

“利用神经质量模型,我们还预测,高直接视听功能连接是保持稀有感知者的高alpha全局一致性的关键,”罗伊说。“最后,通过使用源级网络分析,我们验证了我们的模型的预测,即听区(左侧颞上回STG)和视觉区(内侧枕叶皮层、MOC和枕叶上皮层、SOC)之间的源级相干性在罕见的McGurk错觉感知者中确实更高。”

这组研究人员最近进行的研究,可能最终会扩大目前对人类大脑如何在同时处理不同类型的感官刺激的理解。在未来,Banerjee, Roy和他们的同事提出的方法和模型可以用来研究其他形式的多感官处理,或者几个大脑区域相互作用或协同工作的实例,例如涉及情感和判断的区域。在他们接下来的研究中,研究人员还想探索,当人们看到给定的刺激后,带有有意义的自发性脑节律信号的前刺激脑状态是如何塑造大脑活动的。

就目前而言,我们发现了一致性下降的概念。罗伊和班纳吉说:“它是视听融合的一个重要标志。”“然而,未来的大脑成像研究可能会调查退相干是否是一种通用的度量标准,它可以捕捉到神经系统与环境输入之间的有效交互。”例如,在自闭症人群和有学习障碍的人群中,自发动态中存在的一致性可能会达到很高的稳定性,这样就很难干扰去同步来实现有效的信息处理。确定这种机制可以为制定恢复的新途径提供信息。”