基于同步分析的視覺神經(jīng)元朝向選擇性研究

李朝輝，董增新，邵寧寧

(1. 燕山大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院，河北 秦皇島 066004； 2.河北省信息傳輸與信號處理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北 秦皇島 066004)

0 引言

朝向選擇性是初級視皮層的特性，表現(xiàn)為視皮層神經(jīng)元對刺激方向的敏感反應(yīng)。視覺神經(jīng)元容易受到外界刺激的影響。有關(guān)神經(jīng)元或神經(jīng)元集群編碼感受野的刺激特征，而被神經(jīng)元編碼處理后的視覺神經(jīng)信息成為相關(guān)神經(jīng)組織處理信息的重要依據(jù)[1]。LFP是神經(jīng)元信號中重要的組成成分，是區(qū)域神經(jīng)元群放電活動(dòng)的低頻部分，其中的Gamma頻段與視覺信息處理過程關(guān)系密切。研究表明，Gamma頻段LFP同步會(huì)影響神經(jīng)元的放電活動(dòng)從而改變神經(jīng)元的朝向選擇性[2]，不同朝向的光柵對V1區(qū)Gamma頻段LFP的能量有調(diào)制作用[3]，貓初級視覺皮層中神經(jīng)元的Gamma頻段LFP的低頻(30～40 Hz)和高頻(60～80 Hz)對朝向選擇性分別有著不同的影響[4]。因此，Gamma頻段LFP的研究對于深入了解神經(jīng)元形成朝向選擇性的機(jī)制具有重要意義。

視覺神經(jīng)元群間的協(xié)同作用構(gòu)建了視覺皮層處理信息的基本單元[5]，而腦區(qū)間的信號同步可以反映這種協(xié)同關(guān)系。研究表明，在腦區(qū)間的同步研究中，一致性算法可計(jì)算腦區(qū)間信號的頻域同步程度，可以較好地用于探索腦區(qū)間的溝通方式[6-7]。相位作為信號的基本要素，擁有較為重要的神經(jīng)編碼信息。鎖相值可以體現(xiàn)信號相位間的變化，探索腦區(qū)間的功能性連接，已經(jīng)用于探索治療癲癇[8-9]和帕金森[10]等疾病。

一致性和鎖相值都是用于探索腦區(qū)間功能鏈接的主要分析方式，而對于具有高度相似功能的腦區(qū)內(nèi)的同步分析較少，有研究指出多通道的腦電信號同步分析方式可以較為準(zhǔn)確地反映腦功能區(qū)域的同步程度[11]。因此本文通過一致性和鎖相值分別與相關(guān)矩陣相結(jié)合的方式來度量V1區(qū)和V4區(qū)內(nèi)的整體同步，并首次將其與99%的高對比度的正弦光柵的朝向構(gòu)建聯(lián)系，旨在探索神經(jīng)元朝向選擇性研究的新方式。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)過程

將兩只雄性成年恒河猴作為實(shí)驗(yàn)對象，并且相關(guān)實(shí)驗(yàn)得到了北京師范大學(xué)實(shí)驗(yàn)動(dòng)物管理和使用委員會(huì)的批準(zhǔn)。實(shí)驗(yàn)開始前，使用氯胺酮(10 mg/kg)和異氟醚(1.5%)對動(dòng)物進(jìn)行全身麻醉，并將動(dòng)物的頭部加以固定，以便于進(jìn)行實(shí)驗(yàn)前的注視訓(xùn)練。在實(shí)驗(yàn)過程中，將一個(gè)6×8的多電極陣列分別植入猴子視皮層區(qū)域(V1區(qū)和V4區(qū))，使用128通道的Cerebus神經(jīng)電生理信號記錄系統(tǒng)記錄神經(jīng)刺激信號，采樣頻率為10 kHz，工頻為50 Hz。由視覺刺激系統(tǒng)進(jìn)行視覺刺激，并且用陰極射線顯像管進(jìn)行實(shí)驗(yàn)觀察，實(shí)驗(yàn)對象的觀看距離為100 cm。視覺刺激內(nèi)容為不同朝向的正弦光柵，光柵空間頻率為2 周/度，時(shí)間頻率為4 Hz，在一個(gè)直徑為4°視角的圓形區(qū)域內(nèi)顯示。正弦光柵的角度在0°到360°之間，步長22.5°，每次光柵刺激持續(xù)2 s，間隔為200 ms，光柵對比度為99%，各個(gè)朝向重復(fù)實(shí)驗(yàn)30次，刺激呈現(xiàn)過程如圖1所示。

圖1 刺激呈現(xiàn)的過程Fig.1 The process of stimulation presentation

1.2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)預(yù)處理

為了獲得Gamma頻段的LFP信號，本文使用EEGLAB工具箱中的零相移數(shù)字濾波器對實(shí)驗(yàn)記錄的原始信號進(jìn)行30～80 Hz的帶通濾波，并將得到的Gamma頻段LFP信號用于以下所有分析中。

1.3 一致性

V1區(qū)Gamma頻段LFP與V4區(qū)Gamma頻段LFP在指定頻段上的同步由一致性度量，該方法是在頻域上量化兩個(gè)信號間的線性相關(guān)性[12]。它已經(jīng)被用于量化腦半球內(nèi)和半球間的功能關(guān)系[13]。對于V1區(qū)Gamma頻段LFP信號x和V4區(qū)Gamma頻段LFP信號y，一致性算法的公式為

(1)

其中，Cxy(ω)為兩種信號的互譜密度，Cxx(ω)和Cyy(ω)分別為x和y的自譜密度。Yxy(ω)的取值在0～1之間，當(dāng)取值為0時(shí)，x和y不同步；當(dāng)取值為1時(shí)，x和y完全同步。為獲得更魯棒的同步估計(jì)，首先將2 s的數(shù)據(jù)分為1 s長的信號段，然后50%交疊，得到三段數(shù)據(jù)，最后計(jì)算所有分段數(shù)據(jù)的均值。而兩段信號在特定頻段一致性估計(jì)的公式為

(2)

其中，S為該頻段上的頻率個(gè)數(shù)。Txy的值在0～1之間，表示兩段信號在特定頻段上的同步程度。

1.4 鎖相值

V1區(qū)Gamma頻段LFP與V4區(qū)Gamma頻段LFP在時(shí)域范圍內(nèi)的同步由鎖相值度量，其公式定義為[14]

(3)

其中，M為數(shù)據(jù)長度，φi為兩個(gè)信號間的相位差。鎖相值取值范圍為0～1，反映兩個(gè)信號的相位波動(dòng)情況。若兩個(gè)信號的瞬時(shí)相位差值小，VPLV接近1，兩個(gè)信號的相位完全同步；若兩個(gè)信號的瞬時(shí)相位差值大，VPLV接近0，兩個(gè)信號的相位完全不同步。

1.5 全局同步指數(shù)

多通道腦電信號的同步研究可以幫助人們認(rèn)識(shí)到大腦皮層不同區(qū)域之間相互協(xié)作的機(jī)制，并深入探索大腦部位不同區(qū)域之間進(jìn)行信息的組合、調(diào)制和傳輸?shù)脑韀15]。因此本文將一致性和鎖相值分別與相關(guān)矩陣結(jié)合，并構(gòu)造全局性同步指數(shù)來度量V1區(qū)(或V4區(qū))所有通道間的全局性頻域同步和全局性相位同步。其中，全局性頻域同步的具體計(jì)算方式為：

首先，在一致性算法的基礎(chǔ)上計(jì)算V1區(qū)和V4區(qū)48個(gè)電極之間的一致性值，構(gòu)建48×48的相關(guān)矩陣D，并對相關(guān)矩陣D的特征值分解。各特征值降序排列且滿足λ1≤λ2≤λ3…≤λM；若V1區(qū)(或V4區(qū))所有通道間的Gamma頻段LFP都是線性相關(guān)的，則相關(guān)矩陣中的每一個(gè)元素都為1，其最大特征值是M。若各通道間的Gamma頻段LFP完全無關(guān)，則相關(guān)矩陣D為一個(gè)單位矩陣，其最大特征值為1。這些特征值反映了多通道腦電信號的相關(guān)性[16]。

為獲得獨(dú)立于V1區(qū)(或V4區(qū))Gamma頻段LFP同步的歸一化值，隨機(jī)化V1區(qū)(或V4區(qū))Gamma頻段LFP的組合來計(jì)算替代相關(guān)矩陣R，λ1’≥λ2’≥λ3’…≥λM’并獲得替代相關(guān)矩陣R的特征值，重復(fù)這個(gè)隨機(jī)化過程并計(jì)算100次，得到最大特征值的均值和標(biāo)準(zhǔn)差，分別表示為λp和σ。

最終通過下式獲得全局性頻域同步指數(shù)：

(4)

其中，λk為相關(guān)矩陣D的最大特征值。全局性相位同步采用的是和全局性頻域同步相同的計(jì)算方式，其不同點(diǎn)是將相關(guān)矩陣D中的一致性值換成了鎖相值。

2 結(jié)果

2.1 V1與V4區(qū)間的頻域同步和時(shí)域同步

腦電信號的同步是不同腦區(qū)間進(jìn)行信息傳遞和相互協(xié)調(diào)而表現(xiàn)出的一種生理現(xiàn)象，其在不同腦區(qū)之間普遍存在。對不同腦區(qū)間腦電信號的同步研究，有助于探究不同腦區(qū)間信息傳遞的原理和掌握神經(jīng)性疾病(癡呆癥、輕度認(rèn)知障礙等)的發(fā)病機(jī)理[17]。本文使用一致性和鎖相值來探索V1和V4區(qū)Gamma頻段LFP間的同步程度與不同朝向的視覺刺激特征的聯(lián)系，以揭示視覺神經(jīng)編碼與腦區(qū)同步的內(nèi)在規(guī)律。有研究指出在光柵朝向相差90°時(shí)，受光柵刺激的神經(jīng)元特性發(fā)生明顯的變化[18]。因此本文以Monkey G為例，計(jì)算出V1和V4區(qū)48個(gè)電極之間的一致性值和鎖相值在135°和225°時(shí)的分布，并將其繪制在圖2中。

如圖2所示，無論是在135°朝向還是在225°朝向，一致性值和鎖相值在V1區(qū)與V4區(qū)所有通道之間都有分布，這說明其在V1區(qū)與V4區(qū)各個(gè)區(qū)域之間廣泛存在。從圖2(a)和圖2(c)中可以看出，大部分的一致性值和鎖相值較小，說明在135°朝向上，V1區(qū)與V4區(qū)大部分區(qū)域間的頻域同步和相位同步程度較低。從圖2(b)和圖2(d)中可以看出，大部分的一致性值和鎖相值較大，說明在225°朝向上，V1區(qū)與V4區(qū)之間的頻域同步與相位同步程度較高。

圖2 Monkey G的一致性值和鎖相值在V1與V4間的分布Fig.2 The distributions of coherence and phase locking value of Monkey G between V1 and V4

從圖2中可以看出，單純計(jì)算V1區(qū)與V4區(qū)的同步矩陣中主對角線上的數(shù)據(jù)不足以說明V1區(qū)與V4區(qū)之間真實(shí)的同步情況。為了更準(zhǔn)確地反映V1區(qū)與V4區(qū)之間的頻域同步和相位同步與光柵朝向之間的內(nèi)在規(guī)律，本文計(jì)算出30次實(shí)驗(yàn)中V1區(qū)與V4區(qū)之間所有通道的一致性值和鎖相值，然后求取這些數(shù)據(jù)的平均值以及標(biāo)準(zhǔn)偏差，最后將結(jié)果繪制在圖3中。

圖3 一致性值和鎖相值的朝向調(diào)諧曲線Fig.3 The orientation tuning curves of coherence and phase locking value

從圖3中可以看出，一致性值隨著光柵朝向的變化而發(fā)生規(guī)律性的波動(dòng)。當(dāng)光柵朝向在135°時(shí)，一致性值和鎖相值最??；當(dāng)光柵朝向在225°時(shí)，一致性值和鎖相值最大。這說明V1區(qū)與V4區(qū)之間的頻域同步和相位同步在非偏好朝向上最低，在偏好朝向上最高。同時(shí)觀察到朝向調(diào)諧曲線的相對變化，非偏好朝向上的值與偏好朝向上的值差別明顯，進(jìn)而可知，一致性值和鎖相值與光柵朝向之間存在較強(qiáng)的相關(guān)性。同時(shí)，比較同一恒河猴的一致性值和鎖相值發(fā)現(xiàn)，在相同朝向上，鎖相值要普遍大于一致性值，但是觀察二者在各個(gè)朝向上的標(biāo)準(zhǔn)偏差可以發(fā)現(xiàn)，一致性值在各個(gè)朝向上的波動(dòng)更加穩(wěn)定。

2.2 V1區(qū)與V4區(qū)內(nèi)的同步

神經(jīng)元作為視覺信息處理的基本單元，在皮層的各部分之間均存在著交互聯(lián)系，形成多層次的特異性通路和分布廣泛的非特異性網(wǎng)絡(luò)[18]。通過信號采集系統(tǒng)記錄的頭皮腦電信號反映的是神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中的各個(gè)部分在該區(qū)域神經(jīng)活動(dòng)的疊加，而出現(xiàn)這種復(fù)雜的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的原因是由于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的各部分之間存在局部和長距離的神經(jīng)纖維組成復(fù)雜的耦聯(lián)[19]。

根據(jù)上述研究理論，V1區(qū)和V4區(qū)內(nèi)各個(gè)通道的神經(jīng)信號之間都可能存在同步關(guān)系。為了更直觀地表達(dá)V1區(qū)和V4區(qū)內(nèi)各個(gè)通道神經(jīng)信號間的同步程度，本文以Monkey G為例，計(jì)算135°和225°朝向上的V1區(qū)和V4區(qū)內(nèi)各個(gè)通道Gamma頻段LFP間的頻域同步和相位同步，并將所有通道之間的結(jié)果分別繪制在圖4和圖5中。

圖4 Monkey G一致性值在V1區(qū)和V4區(qū)內(nèi)的分布Fig.4 The distributions of coherence of Monkey G in V1 and V4

從圖4和圖5中可以看出，V1區(qū)和V4區(qū)內(nèi)各個(gè)通道之間都存在著頻域同步關(guān)系和相位同步關(guān)系，說明Gamma頻段LFP間的頻域同步和相位同步在V1區(qū)和V4區(qū)內(nèi)的各個(gè)區(qū)域之間廣泛存在。在圖4(a)、圖4(c)、圖5(a)和圖5(c)中，當(dāng)光柵朝向在135°時(shí)，V1區(qū)和V4區(qū)內(nèi)各個(gè)通道之間的同步關(guān)系較弱。在圖4(b)、圖4(d)、圖5(b)和圖5(d)中，當(dāng)光柵朝向在225°時(shí)，V1區(qū)和V4區(qū)內(nèi)各個(gè)通道之間的同步關(guān)系較強(qiáng)，這說明V1區(qū)和V4區(qū)內(nèi)的頻域同步和相位同步對不同朝向的光柵刺激敏感。另外，通過比較圖4和圖5還可以發(fā)現(xiàn)，在相同朝向上，無論是V1區(qū)內(nèi)還是V4區(qū)內(nèi)，一致性值的分布和鎖相值的分布都存在著差異。這意味著腦區(qū)內(nèi)各通道間的頻域同步和相位同步在探索腦區(qū)功能的過程中發(fā)揮著不同的作用。

為了更清晰地表達(dá)V1區(qū)與V4區(qū)內(nèi)的全局性頻域同步和全局性相位同步與光柵朝向之間的聯(lián)系，本文首先計(jì)算出了30次實(shí)驗(yàn)的全局性頻域同步和全局性相位同步值，然后計(jì)算了每個(gè)朝向上的標(biāo)準(zhǔn)偏差，最后所得結(jié)果如圖6和表1所示。

圖5 Monkey G鎖相值在V1區(qū)和V4區(qū)內(nèi)的分布Fig.5 The distributions of phase locking value of Monkey G in V1 and V4

在圖6中，紅色標(biāo)記所在的曲線是全局性相位同步的朝向調(diào)諧曲線，黑色標(biāo)記所在的曲線是全局性頻域同步的朝向調(diào)諧曲線。由圖6可知，全局性相位同步和全局性頻域同步隨著光柵朝向的變化而發(fā)生規(guī)律性的變化，顯示出明顯的朝向選擇性，其在非偏好朝向(135°)上的值較小，在偏好朝向(225°)上的值較大。這說明V1區(qū)和V4區(qū)內(nèi)所有通道間的頻域同步和相位同步受到不同朝向光柵的調(diào)制作用而表現(xiàn)出趨于一致的規(guī)律性。另外，由圖6亦可得，在相同的視覺神經(jīng)區(qū)域中，全局性相位同步普遍大于全局性頻域同步，這說明無論是在偏好朝向上還是非偏好朝向上，V1區(qū)和V4區(qū)內(nèi)整體的相位同步強(qiáng)度要大于V1區(qū)和V4區(qū)內(nèi)整體的頻域同步強(qiáng)度。此外，在同一獼猴中，全局性相位同步的朝向調(diào)諧曲線在V1區(qū)和V4區(qū)之間的差異明顯，而全局性頻域同步的朝向調(diào)諧曲線在V1區(qū)和V4區(qū)之間的差別不明顯。這說明相位同步受光柵的調(diào)制作用在V1區(qū)和V4區(qū)之間存在明顯差異，而頻域同步受光柵的調(diào)制作用在V1區(qū)和V4區(qū)之間無明顯差異。

圖6 全局性同步的朝向調(diào)諧曲線Fig.6 The orientation tuning curves of global synchronization

從表1中可以看出，在相同的朝向上，無論是全局性相位同步還是全局性頻域同步，V1區(qū)的標(biāo)準(zhǔn)偏差普遍小于V4區(qū)的標(biāo)準(zhǔn)偏差，這說明V1區(qū)的全局性同步在各個(gè)朝向上的波動(dòng)比V4區(qū)的全局性同步在各個(gè)朝向上的波動(dòng)小，反映出全局性同步在V1區(qū)具有良好的穩(wěn)定性。

2.3 朝向調(diào)諧指數(shù)

為了更好地說明以上所有方法在衡量朝向選擇性方面的性能，本文引入朝向調(diào)諧指數(shù)的概念。其公式定義如下[20]：

(5)

其中，Pp為偏好朝向下的同步值，而Po為兩個(gè)非偏好朝向下的同步值的平均值，即Po=(P1+P2)/2。朝向調(diào)諧指數(shù)越大，神經(jīng)元對漂移光柵的朝向選擇性越顯著。

本文首先計(jì)算出了V1區(qū)與V4區(qū)以及V1區(qū)和V4區(qū)內(nèi)所有通道間的30次實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的朝向調(diào)諧指數(shù)，然后將這些結(jié)果進(jìn)行平均，并求取標(biāo)準(zhǔn)偏差，最后將得到的結(jié)果分別繪制在圖7和圖8中。

從圖7中可以看出，無論是Monkey G還是Monkey H，一致性值的朝向調(diào)諧指數(shù)都大于鎖相值的朝向調(diào)諧指數(shù)。這說明一致性值在偏好朝向和與偏好朝向正交的朝向之間的差別更大，對光柵刺激更敏感。綜合而言，一致性值可以更好地反映腦區(qū)之間的同步變化，可作為研究獼猴視皮層V1與V4區(qū)神經(jīng)元間朝向選擇性的基礎(chǔ)，同時(shí)也反映出頻域同步在神經(jīng)元跨區(qū)通信中起到了十分重要的作用。

從圖8中可以看出，在V1區(qū)和V4區(qū)中，全局性相位同步的朝向調(diào)諧指數(shù)大于全局性頻域同步的朝向調(diào)諧指數(shù)，這說明全局性相位同步指數(shù)對光柵的刺激較為敏感。另外，比較同一獼猴的朝向調(diào)諧指數(shù)發(fā)現(xiàn)，V1區(qū)的全局性相位同步和全局性頻域的朝向調(diào)諧指數(shù)分別大于V4區(qū)的全局性相位同步和全局性頻域的朝向調(diào)諧指數(shù)。這說明V1區(qū)的神經(jīng)元比V4區(qū)的神經(jīng)元對光柵的刺激敏感。綜合而言，全局性相位同步可以更好地表征V1區(qū)和V4區(qū)內(nèi)所有通道間的整體同步變化，可作為研究獼猴視皮層V1區(qū)和V4區(qū)內(nèi)神經(jīng)元間朝向選擇性的基礎(chǔ)，同時(shí)也反映出相位同步在具有高度相似功能的神經(jīng)區(qū)域間(V1或V4)起到了十分重要的作用。

圖8 全局性同步的朝向調(diào)諧指數(shù)Fig.8 The orientation tuning indices of the global synchronization

3 結(jié)論

本文利用一致性、鎖相值、全局性頻域同步和全局性相位同步用于V1區(qū)與V4區(qū)各通道間以及V1區(qū)和V4區(qū)內(nèi)各通道間的同步分析，以構(gòu)建不同朝向上V1區(qū)和V4區(qū)Gamma頻段LFP的同步程度與視覺刺激特征之間的聯(lián)系。結(jié)果顯示：

V1區(qū)與V4區(qū)之間的同步以及V1區(qū)和V4區(qū)內(nèi)的同步與光柵朝向之間存在較強(qiáng)的相關(guān)性，會(huì)隨著光柵朝向的變化而變化，能夠反映基本的視覺刺激特征，其在偏好朝向下的同步關(guān)系最強(qiáng)，在非偏好朝向下的同步關(guān)系較弱。通過比較其朝向調(diào)諧指數(shù)表明，一致性值相比鎖相值可以更好地表征V1區(qū)與V4區(qū)之間的朝向選擇性，而全局性相位同步比全局性頻域同步可以更好地表征V1區(qū)和V4區(qū)內(nèi)的朝向選擇性。本文的研究結(jié)果不僅為腦區(qū)間的同步研究提供了比較有效的指導(dǎo)方向，還為神經(jīng)元朝向選擇性的研究奠定了基礎(chǔ)。