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张洳源课题组Journal of Neuroscience发文揭示动物电生理和人脑成像研究中群体编码异同的计算机制
发布时间：2023-05-16 09:37
2023年5月15日，上海交通大学心理与行为科学研究院和上海交通大学医学院附属精神卫生中心张洳源团队在《Journal of Neuroscience》发表题为“Representational Geometries reveal differential effects of response correlations on population codes in neurophysiology and functional magnetic resonance imaging”的研究论文。文章通过对动物电生理实验中神经元群体发放和人脑核磁共振成像实验中多体素反应的计算建模分析，发现跨试次(trial-by-trial)的反应相关（response correlations）在神经元群体和体素群体中有截然不同的作用，但这些表面看起来不同的作用却可以被一个统一的计算框架所解释。该研究为联系猕猴的群体编码和人脑成像中的多体素解码的研究迈出了重要一步。
随着神经科学研究技术的发展，当前的系统神经科学逐渐从以前的单细胞记录技术过度到多细胞群体记录，研究取向也从之前的研究单细胞神经元反应特性(例如特征选择曲线)到研究群体层面的信息编码。过去一些年，研究群体编码的难点和热点问题是神经元之间反应跨试次的相关性到底如何影响群体编码，这个问题一直在计算神经科学存在争论。从已有的电生理实验数据来看，大脑中存在的神经元之间的反应相关对群体编码有害。因为诸多实验表明对应脑区的神经元反应相关下降与行为表现的提高有关。另一方面，非侵入式的人脑影像研究中的重要方法是多体素的解码分析，但是关于体素之间的反应相关如何影响群体信息编码效率的研究一直较少。
张洳源团队分析了人脑早期视皮层对不同朝向的物理刺激的多体素反应模式，并且模拟改变体素之间的相关程度。结果发现，一个体素群体所能编码的信息与体素之间的反应相关之间是一个倒U型曲线，并且完全去掉反应相关削弱了群体体素的信息量。这表明，脑成像体素之间的相关能够一定程度上促进群体信息编码，这和神经元之间的相关削弱信息编码的机制截然不同。
张洳源团队进一步在此基础上分别建立了基于神经元群体和基于体素群体的编码模型，其中基于体素的编码模型假定单个体素的反应是神经元群体的线性组合。两个模型都能分别模拟出反映相关在各自群体中的编码效果。
团队进一步基于线性费舍曲线的分析发现，反应相关在高维空间具有类似的性质—减弱了高方差特征方向的信息量并且增强了低方差特征方向的信息量。但是这一拮抗作用在神经元和体素群体表现的程度差异较大，所以导致了不一样的结果。尤其是体素编码模型，能够很好的复现出人脑皮层V1-V3的信息编码特征，具有很高的解释力。
张洳源课题组的博士生程子健和中山大学计算机学院杨凌霄博士为共同第一作者，美国德州西南医学中心计算神经科学家张文昊教授为共同作者，张洳源副研究员为通讯作者。该研究得到了上海交通大学心理与行为科学研究院和上海交通大学医学院附属精神卫生中心的大力支持。该研究同时得到了国家自然科学基金、上海市浦江人才计划、上海市自然科学基金、上海市科技计划项目资助和中央高校基本科研业务费专项等项目的资助。
