2021年11月6至7日，北京大学IDG麦戈文脑科学研究所成立十周年庆典暨北京大学脑科学国际论坛成功举办。来自美国哈佛大学、斯坦福大学、加州大学伯克利分校、英国伦敦大学学院、德国马普研究所、日本筑波大学、北京师范大学、中科院脑智卓越创新中心等国内外高校和科研机构的知名学者，从分子、细胞、环路、系统、认知、心理、计算、神经精神疾病等多个层面和角度，热情分享了他们在脑科学前沿研究的最新进展，并与线上线下观众频繁互动，在思维的碰撞中激荡出创新的火花。现陆续推出相关学术笔记，让我们重温精彩再出发！

　　本期推出的学术笔记，根据普林斯顿大学（Princeton Neuroscience Institute & Department of Psychology, Princeton University）Sabine Kastner教授，所作的题为“Neural Dynamics of the Primate Attention Network”的报告整理而成。她在报告中分享了对灵长类动物大脑的注意神经网络的研究成果。

　　Sabine Kastner教授作报告并与嘉宾观众交流

　　撰稿：张一飞

　　审核：周阳

　　灵长类动物主要依靠视觉从周围的环境中获取生存所需的信息。当我们面对现实环境中一个纷繁复杂的场景时，我们的大脑无法同时加工所有的感觉信息，而是需要优先对重要的信息进行选择性的加工。我们通常会把注意集中在空间中一个关键的区域里，优先处理这个区域内的感觉信息，然后不断转移我们关注的区域来收集整个环境中的信息。要实现这个过程，我们的大脑就需要很好地执行和调控注意的空间选择。Sabine Kastner教授和她的团队对空间注意背后的神经机制进行了长期的研究，因此他们挑选了两种灵长类动物——人类和猕猴，在二者身上建立相同的空间注意任务范式，并利用不同的脑成像以及电生理方法在二者身上记录神经元的活动，以此揭示灵长类大脑调控空间注意的神经机理。

　　他们使用了一个经典的名为Egly-Driver任务的行为范式（图1）。在这个任务中，被试需要盯住屏幕中心的注视点，屏幕上会出现两个条带，在其中一个条带的一端，会有一小块区域发生一个接近感觉阈限的亮度变化，被试的任务就是探测这个目标刺激并且报告出来。在目标刺激之前，某个条带的一端会出现一个线索，提示被试这个位置有很大的可能性出现亮度变化。令人惊奇的结果是，被试的行为表现会发生周期性的振荡（图2）：随着线索和目标刺激之间的间隔时间的变化，被试的击中率（Hit Rate，即当目标刺激出现时正确报告的比率）以4-8Hz的频率，即theta频段，上下波动。这种行为表现的振荡不仅在人类被试身上出现，在猕猴身上也同样能够观察到。这意味着，与我们的主观体验相悖，视觉空间注意并非连续不变，而是存在着节律性的振荡。而且这一特点在灵长类的进化中是保守的。

　　
图1 Egly-Driver任务的图解。（Fiebelkorn, Saalmann, & Kastner, 2013）

图2 人（A）和猕猴（B）的行为表现（用击中率的变化来衡量）随距离线索的时间（不同的线索-目标刺激间隔）而呈现上下波动的变化。(Fiebelkorn & Kastner, 2019)

　　那么，注意的这种节律性有着怎样的神经机制呢？为了在人类的大脑中记录注意过程中的神经元活动，Kastner的团队利用癫痫病人颅内植入的用以探测病灶的电极，通过皮层脑电（ECoG）的方法记录了大脑皮层各个区域的局部场电位。一般认为，局部场电位中70-150Hz的高频带（high-frequency band, HFB）信号能够很好地反映神经元群体的放电活动，因此他们着重对HFB进行了分析。结果发现，HFB的信号幅度在theta频段，以4Hz左右的频率振荡，这与行为表现的振荡恰好吻合（图3，A）。这一巧合让人不禁产生好奇：这两种振荡是否是互相关联的呢？答案是肯定的。他们发现被试的击中率和脑电活动在theta频段所处的相位有强烈的相关（图3，B），而且这种与行为相关的theta振荡在大脑的额顶叶神经网络中广泛地存在。

　　图3 人类皮层脑电记录的结果。（A）单个电极记录到的多个试次中HFB幅度的峰值触发平均值，呈现出4Hz的振荡。（B）根据单个电极记录到的3~5Hz振荡相位统计出的击中率分布，可以看到击中率并非均匀分布。KL为实际分布与均匀分布之间的Kullback-Leibler散度（即相对熵）。（改自Helfrich等，2018）

　　在猕猴的大脑中可以进行更加灵活精细的电生理记录。Kastner的团队在猕猴的额叶眼区（frontal eye field，FEF）和顶内沟外侧壁（lateral intraparietal area, LIP）两个区域同时进行电生理记录，这两个区域是额顶叶神经网络中的重要枢纽。和在人类被试中观察到的结果相一致，他们在FEF和LIP都发现了与行为表现吻合的theta振荡，只是频率峰值略有区别（分别为5Hz和4Hz）（图4，A~B）。进一步的分析还表明，不仅仅是theta振荡，更高频率的神经振荡也与行为表现存在相关性，并且这种相关性与theta振荡存在着联系（图4，C~D）。在FEF脑区中，beta振荡在动物行为表现较好的theta相位当中可以预测行为表现；在LIP脑区中，gamma振荡在动物行为表现较好的theta相位中可以预测行为表现，而alpha振荡在动物行为表现较差的theta相位中可以预测行为表现。这些不同频率的振荡可能有着不同的生理意义：gamma振荡的增加与感觉信号处理的增强有关，beta振荡的增加伴随着注意转移和眼动的抑制，而alpha振荡则与感觉信号处理的减弱相联系。

图4 猕猴电生理记录的结果。（A和B）击中率随着FEF（A）和LIP（B）中theta振荡相位的变化，按照相位统计出的击中率（橙色线条）能很好地被一个周期的正弦波（黑色线条）近似，体现出探测目标刺激的能力对振荡相位的依赖性。（C和D）根据theta振荡的相位和行为表现将每个试次分成两个区间，利用（A）和（B）中的类似方法，分别计算在FEF（C）和LIP（D）中各个频率下振荡相位和击中率的相关性。黑点代表统计上有显著差异的数据点。（改自Fiebelkorn, Pinsk, & Kastner, 2018）

　　据此，Kastner等人提出了空间注意的振荡机制新模型（图5）：额顶叶神经网络通过theta振荡让神经活动在两种状态中切换：“采集（sampling）”阶段伴随着来自FEF的beta振荡增加和来自LIP的gamma振荡增加，这能抑制注意的转移并增进视觉信息的处理，因此这一阶段促进了大脑对感觉信息的采集；“转移（shifting）”阶段则伴随着来自LIP的alpha振荡增加，对当前注意区域的感觉处理减弱，并且来自FEF的beta振荡的减少意味着对注意转移的抑制暂时解除，因此这一阶段中注意窗口的转移变得容易。神经网络的活动在这两种状态之间来回切换，引起了注意功能的节律性，并且使我们的空间注意具有了灵活性。不过，大脑不同节律神经振荡协同作用的机制还并不清楚。他们猜测，注意的这种节律性可能是健康的认知功能的一个重要标志，这有待于将来的更多研究来探明。

图5 theta振荡介导神经网络在两种认知状态间节律性切换的注意模型。(Fiebelkorn & Kastner, 2019)

　　参考文献

　　1. Fiebelkorn, I. C., Saalmann, Y. B., & Kastner, S. (2013). Rhythmic sampling within and between objects despite sustained attention at a cued location. Current Biology, 23(24), 2553-2558.

　　2. Fiebelkorn, I. C., Pinsk, M. A., & Kastner, S. (2018). A dynamic interplay within the frontoparietal network underlies rhythmic spatial attention. Neuron, 99(4), 842-853.

　　3. Fiebelkorn, I. C., & Kastner, S. (2019). A rhythmic theory of attention. Trends in cognitive sciences, 23(2), 87-101.

　　4. Helfrich, R. F., Fiebelkorn, I. C., Szczepanski, S. M., Lin, J. J., Parvizi, J., Knight, R. T., & Kastner, S. (2018). Neural mechanisms of sustained attention are rhythmic. Neuron, 99(4), 854-865.