發(fā)布時(shí)間：2023-10-13
2023年10月12日，Cell Reports期刊在線(xiàn)發(fā)表了標題為《Spatiotemporal dynamics of self-generated imagery reveal a reverse cortical hierarchy from cue-induced imagery》的研究論文，該研究由中國科學(xué)院腦科學(xué)與智能技術(shù)卓越創(chuàng )新中心（神經(jīng)科學(xué)研究所）俞青研究組完成。研究人員利用腦電（EEG）和功能性核磁共振成像（fMRI）記錄人類(lèi)被試分別在自發(fā)生成想象和由外部線(xiàn)索誘發(fā)產(chǎn)生想象的大腦活動(dòng)，揭示了二者的時(shí)空動(dòng)態(tài)模式差異，填補了自發(fā)生成想象研究領(lǐng)域的空白并拓展了想象的層級理論。
對自由意志（free will）神經(jīng)機制的探索是神經(jīng)科學(xué)研究中重要且困難的問(wèn)題。而這一問(wèn)題在想象研究領(lǐng)域尤為重要。想象是指在沒(méi)有外部感覺(jué)輸入時(shí)，腦海中自主產(chǎn)生感覺(jué)體驗的過(guò)程。雖然想象與自由意志密切相關(guān)，但過(guò)往想象研究大多關(guān)注外部線(xiàn)索誘發(fā)想象產(chǎn)生的過(guò)程，鮮有研究真正關(guān)注想象信息在沒(méi)有外部線(xiàn)索的情況下如何自發(fā)地產(chǎn)生。舉例來(lái)說(shuō)，在閱讀小說(shuō)時(shí)，人們根據所讀到的文字在腦海中構建文字所描繪的畫(huà)面，這是外部線(xiàn)索誘發(fā)的想象。而人們自行創(chuàng )作出一篇小說(shuō)及相應的畫(huà)面，就是自發(fā)生成的想象。
為了探索這一問(wèn)題，俞青組的研究人員設計了一種新型的圖片關(guān)聯(lián)的想象行為范式（圖1A，圖2A）。實(shí)驗首先規定了想象時(shí)所有可能的刺激集合，在想象過(guò)程中，被試想象的所有刺激都在這個(gè)集合中選取。在自發(fā)生成的想象中，被試從固定刺激集中隨機挑選一個(gè)想象；與此對照的是外部線(xiàn)索誘發(fā)的想象，被試想象與特定外部線(xiàn)索相關(guān)聯(lián)的特定刺激。被試在想象結束時(shí)報告想象的內容以及生動(dòng)程度。
研究人員首先測量了被試在進(jìn)行上述想象任務(wù)時(shí)的腦電活動(dòng)，并使用逆向編碼模型，分別在腦電電位以及 波段振蕩信號中重構出想象內容的神經(jīng)表征。研究人員發(fā)現，在兩種實(shí)驗條件下，電位和 波信號都編碼想象的內容。有趣的是，這兩種信號的想象內容表征強度在兩項任務(wù)中有顯著(zhù)差異：首先，在電位信號中，自發(fā)生成的想象內容表征強于外部線(xiàn)索誘發(fā)的想象，而在 波中則相反（圖1BC）。其次，電位信號的表征差異主要集中于中央的電極，而 波的表征差異主要集中于后腦的枕葉電極（圖1BCE）。第三，中央電位的自發(fā)產(chǎn)生想象信號出現的時(shí)間早于后腦 波（圖1D）。換言之，來(lái)自前部電極的電位信號反映了自發(fā)生成的想象過(guò)程，而來(lái)自后部電極的 振蕩攜帶了與外部驅動(dòng)處理相關(guān)的信息。電極空間布局以及信號產(chǎn)生時(shí)間的前后差異，表明自發(fā)生成與外部線(xiàn)索誘發(fā)的想象在信息處理中可能存在相反的層級結構。
圖1：A.腦電實(shí)驗的任務(wù)設計。B.對腦電的電位信號使用逆向編碼模型重構出的表征強度的時(shí)間進(jìn)程（左側）以及在0.6 – 1.7秒之間的平均朝向通道響應曲線(xiàn)（右側）。第一行使用全腦電極分析的結果，第二行為使用中央電極分析的結果。0點(diǎn)為刺激出現時(shí)刻。C.與B相同，但使用的是時(shí)頻分解后 波段的平均信號。D.互相關(guān)系數與信號時(shí)延曲線(xiàn)。第一行為B、C兩圖第一行中相同條件的互相關(guān)分析結果。第二行為B、C兩圖第二行中相同條件的互相關(guān)分析結果。E.對腦電電位（上）以及 波信號（下）的使用逆向編碼模型的searchlight分析結果
研究人員進(jìn)一步利用fMRI的高空間分辨率比較自發(fā)生成和外部線(xiàn)索誘發(fā)想象的表征強度的空間分布情況，通過(guò)結合逆向編碼模型與searchlight分析，重構出全腦想象信息表征強度的分布圖（圖2BC）。結果表明，與腦電實(shí)驗類(lèi)似，自發(fā)生成與外部線(xiàn)索誘發(fā)的想象表現出了重疊的皮層網(wǎng)絡(luò )的參與。但重要的是，自發(fā)生成的想象在額葉皮層右上前額溝（sPCS）中有更強的神經(jīng)表征，而在早期視覺(jué)皮層中則相反，即線(xiàn)索誘發(fā)的想象有更強的神經(jīng)表征（圖2D）。換言之，自發(fā)生成和外部線(xiàn)索誘發(fā)想象的相對表征強度也遵循從額葉到枕葉的反向層次結構。兩個(gè)實(shí)驗的結果共同表明，額葉皮層在生成和維持自發(fā)產(chǎn)生的想象中發(fā)揮著(zhù)關(guān)鍵作用。
圖2：A.功能核磁共振實(shí)驗的任務(wù)設計。B-D.對想象延遲期后期BOLD信號使用逆向編碼模型的searchlight分析重構出全腦范圍內想象內容表征強度。（B）外部線(xiàn)索誘發(fā)的想象（C）自發(fā)生成的想象（D）B和C圖之差
過(guò)往比較想象和感知的研究中，人們提出了相反層級理論，即想象可以看作是感知的逆過(guò)程，信號從高級腦區傳送到低級感覺(jué)皮層，從而形成了想象體驗（Li et al., 2023; The Journal of Neuroscience）。當前研究進(jìn)一步揭示了感覺(jué)皮層和額葉皮層在編碼不同信息源的想象信息時(shí)也同樣存在相反的層級表征結構：額葉皮層在自發(fā)生成想象中發(fā)揮關(guān)鍵作用，而感覺(jué)皮層在外部線(xiàn)索誘發(fā)想象中發(fā)揮重要作用。該研究為拓展想象的神經(jīng)機制理論提供了新的見(jiàn)解與實(shí)驗證據，也對研究意識以及伴有想象異常的精神性疾病的神經(jīng)機制有重要啟發(fā)。
俞青研究組的博士研究生胡益衡為該研究論文的第一作者，俞青研究員為該論文的通訊作者。該研究獲得了科技部、基金委、中國科學(xué)院、上海市的資助。
附件下載： 
