Gamma振荡对视觉信息群体编码的动态影响

Gamma-band activity (25-90Hz), as a characteristic response in the brain has been found in many brain regions. It was shown that the oscillatory activity in this frequency range was related to perception, attention and working memory; the abnormal Gamma-oscillation also indicates several types of mental disorders. Currently, it is mainly hypothesized that Gamma-oscillation, as a synchronizer, can help different locations within a brain region or neurons in different brain areas work together for information integration. The hypothesis is based on the phase-locking relationship between spike activity and their nearby local field potential (LFP). However existing studies based on single unit activity or local multi-unit activity did not truly reveal how neurons in a large population dynamically coordinate under Gamma-oscillation. This application proposes a study of the dynamic influence on population coding and interaction in visual cortex of awake and anesthetized monkeys. By simultaneously recording neuronal activity, including spikes and LFPs, in a large population of V1 and V4, we will study population coding and neuronal interaction in visual cortex under Gamma-oscillation. The proposed study of Gamma-oscillation is important for understanding information processing in sensory systems, diagnoses of mental disorders and evaluation of brain functions.

Gamma振荡(25-90Hz）作为一种脑的特征反应在很多区域中都可以被观察到。以往研究表明此频段振荡与感觉认知，注意，记忆相关；并且它的异常与一些认知障碍和精神疾病有关。目前主流的假说认为，Gamma振荡作为系统的一种共振源，可以帮助同脑区不同位置或不同脑区的神经元协同工作，从而使脑中各种信息达到时空整合。对此假说的支持主要来源于神经元发放和其周边局域场电位的相位锁定关系。然而，以往研究主要是基于对单个神经元或者局部多个神经元与Gamma周期关系的研究，没有真正揭示更大范围内细胞群体是如何动态地在Gamma振荡下协同工作的。本项目拟在以清醒和麻醉猴视觉皮层为实验对象，采用慢性植入式阵列电极，通过同时大范围记录V1和V4神经元反应，来研究探讨视神经元在Gamma振荡中动态群体编码和相互作用。研究Gamma振荡对于理解感觉系统的信息整合和加工，精神疾病的诊断以及脑功能的评估有着重要意义。

Gamma 振荡(25-90Hz）作为一种脑的特征反应在很多区域中都可以被观察到。此频段振荡与感觉认知，注意，记忆相关；并且它的异常与一些认知障碍和精神疾病有关。研究 Gamma 振荡对于理解感觉系统的信息整合和加工，精神疾病的诊断以及脑功能的评估有着重要意义。目前主流假说认为，Gamma 振荡作为一种共振源，可以帮助不同位置或不同脑区的神经元协同工作，从而使脑中各种信息达到时空整合。然而，以往基于对单个神经元或者局部多个神经元与 Gamma 周期关系的研究，没有真正揭示大范围内细胞群体是如何在 Gamma 振荡下协同工作编码视觉信息。.本项目以猕猴和人的视觉皮层为实验对象，采用植入式阵列电极或者颅外脑电电极，通过同时录视觉皮层群体神经元反应，来研究探讨视神经元在 Gamma 振荡中动态群体编码和相互作用。具体内容包括：刻画视觉信息在视觉皮层（V1）中的群体编码形式，以及Gamma振荡对V1神经元群体编码的动态影响；比较清醒和麻醉动物的Gamma振荡对视觉皮层的群体编码的影响；建立亮度和朝向信息在V1视觉皮层群体编码的动力学模型。我们发现：1）颜色信息在大脑中的动态反应和振荡强度与亮度信息高度相关，这与人对颜色感知的认知行为一致（Xing* et al.,J Neurosci）；2）亮度和朝向信息的动态编码和gamma振荡特性在视觉皮层的输入和输出层，呈现出不同的形式(Society for Neurosci, 2017)；3）伴随亮度刺激强度的变换，群体编码和Gamma振荡的动态特性发生了显著的变化，低亮度导致Gamma振荡强度增大，频率升高，而神经元的发放率显著升高，这些现象预示，抑制性神经机制调节了群体细胞对亮度的编码(Xing* et al.,PNAS)。.本项目的实施，为我们理解gamma振荡与视觉信息群体编码的关系，揭示Gamma振荡在信息整合中作用机理以及知觉信息的组织规律等方面，做出重要贡献。