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王立卉和周晓林课题组在Cerebral Cortex 发表论文揭示alpha波幅和相位在嵌套时间预期中的分离效应
发布时间：2023-07-10 12:57
我们生活在一个不断变化的世界，比如昼夜不断的更替，日月星辰不断划过天空等等。对外部世界变化的感知促进了个体对时间信息的感知。个体可利用外部环境中变化信息构成的时间框架预期目标刺激出现的时间点，促进个体对目标刺激的知觉加工和行为反应，以完成当前任务目标。例如，一个人可以通过发动机声音频率的变化确定一辆汽车是远离还是靠近自己，以及何时通过路口；羽毛球运动员可以通过羽毛球飞行的速度和轨迹确定最佳的击球时间等等。利用不断变化的外部刺激构成的时间框架预测物体在某一时刻的状态的过程称为时间预期。时间预期可以基于多种信息形成，如节奏信息和顺序信息。具有周期变化特性的节奏性信息在日常生活中较为常见，例如具有相对固定频率的踏步，语言和音乐节拍等等。重复出现的具有固定顺序的非节奏性序列同样可以形成时间预期。这两种时间框架信息均可调节促进知觉行为，但二者可能具备不同的认知神经基础。在实际生活中，这些不同的时间信息通常都是嵌套出现，而非单独出现。
上海交通大学心理与行为科学研究院，上海市精神卫生中心王立卉副研究员和华东师范大学心理与认知科学学院周晓林教授合作近期在《Cerebral Cortex》杂志发表题为“Dissociated amplitude and phase effects of alpha oscillation in a nested structure of rhythm- and sequence-based temporal expectation”研究论文。在这个最新研究中，他们设计出一个嵌套范式同时包含了节奏和顺序信息。结合行为学数据和漂移扩散模型（Drift Diffusion Model，DDM），结果显示，在这个嵌套的时间框架中，节奏性信息和顺序信息可以协同性地促进视觉知觉过程。二者可以协同性地促进视觉知觉过程中证据累积速度，降低知觉决策的阈限。同时，脑电结果显示，节奏性信息在大脑视觉皮层诱发了相同节奏的低频周期性神经振荡，即神经夹带。
图1 低频相位信息和高频波幅信息跨频段耦合
本研究进一步发现，在枕叶区域，被节奏性信息夹带的低频神经振荡相位信息与alpha（8-12Hz）频段神经振荡波幅存在跨频段的耦合效应。alpha波幅随被夹带频段神经活动的相位信息而变。并且进一步证据表明alpha 振幅与相位以不同的形式参与到不同的时间预期，具体而言，alpha 振幅主要受节奏性信息影响，而并不会受到顺序信息影响；alpha相位则同时受到节奏性信息和顺序信息的调节。结合行为学模型，研究进一步发现alpha 相位距离最优相位的距离可以预测知觉行为的变化，并且在同时被节奏性信息和顺序信息预测的时间点，该预测效应最强。这些结果提示在同时具备多种信息的时间框架中，大脑能够灵活地调用多个神经振荡信息，促进知觉任务的完成。
图2 alpha 波幅和相位受到不同时间信息的调节
本研究是探究时间预期如何影响知觉过程中重要的一环，对于探明不同类型的时间预期影响知觉过程的神经机制以及利用节奏性信息改变个体神经振荡特性和认知功能方面均有所贡献。一方面，研究使用嵌套的时间框架探究了节奏性信息和顺序信息对知觉过程的协同促进作用；另一方面，研究阐述了节奏性信息对于大脑低频和高频（alpha）神经振荡的调节作用。相比于使用TMS或者tACS 对大脑神经振荡效应的调节，节奏性的视觉或者声音刺激具有更小的风险和更高的接受度，在临床上具备一定的应用前景。
周晓林课题组已毕业博士生，王立卉课题组博士后苏忠斌为本文第一作者，王立卉副研究员，周晓林教授为本文共同通讯作者。该研究得到国家自然科学基金委（项目号：32000779, 31861133012）和上海交通大学医工交叉项目（项目号：YG2022QN108）的资助。
论文信息：
Su Z, Zhou X, Wang L. 2023. Dissociated amplitude and phase effects of alpha oscillation in a nested structure of rhythm- and sequence-based temporal expectation. Cereb Cortex. doi: 10.1093/cercor/bhad240.
