视觉处理中C1 ERP和宽带高频活动的差异贡献
视觉处理中的高频活动与C1 ERP成分的差异贡献：一项EEG-MEG联合研究
学术背景
在神经科学领域，理解视觉信息如何在大脑中被处理是一个核心问题。视觉信息的处理通常被分为两个主要过程：前馈（feedforward）和反馈（feedback）。前馈过程指的是从视网膜到初级视觉皮层（V1）的信息传递，而反馈过程则涉及从高级视觉区域返回到V1的信息传递。尽管这两个过程在视觉处理中都起着关键作用，但它们的具体机制和时间动态仍不完全清楚。
高频活动（High-Frequency Activity, HFA）是大脑中80-150 Hz的神经振荡，通常被认为是局部神经元群体活动的标志。HFA在人类颅内记录中表现出对行为相关刺激的差异调制，表明其可能参与前馈过程。然而，HFA也显示出对浅层皮层的显著依赖，并且其峰值出现在刺激后的200毫秒内，这又暗示它可能更多地与反馈信号相关。因此，HFA在前馈和反馈过程中的具体角色仍然存在争议。
为了澄清这一问题，本研究通过同时记录脑电图（EEG）和脑磁图（MEG），比较了HFA和C1事件相关电位（ERP）成分的反应特性。C1是EEG中最早出现的视觉ERP成分，被认为是V1前馈输入的标志。通过比较C1和HFA的时间动态和调制特性，本研究旨在揭示HFA是否主要代表前馈信息，还是也包含反馈信号。
论文来源
本研究的作者包括Paul Schmid、Christoph Reichert、Robert T. Knight和Stefan Dürschmid。他们分别来自德国的Leibniz Institute for Neurobiology和美国的University of California Berkeley。该研究于2024年11月26日首次发表在《Journal of Neurophysiology》上，DOI为10.1152/jn.00292.2024。
研究流程
1. 参与者与实验设计
研究招募了25名健康受试者（12名女性，年龄范围20-33岁），所有参与者均报告视力正常或矫正至正常，且无神经或精神疾病史。实验在德国马格德堡大学的神经学系进行，并获得了当地伦理委员会的批准。最终，19名参与者完成了实验，其余6名因眼动或运动伪迹被排除。
实验采用视觉检测范式，受试者需要在屏幕上出现的黑色箭头指向左或右时尽快做出反应。箭头伴随有任务无关的双侧高对比度黑白棋盘刺激，这些棋盘刺激出现在上视野（UVF）或下视野（LVF），以引发C1反应。棋盘刺激的对比度在60%到90%之间变化，分为四个区块，每个区块包含272次试验，总共1088次试验。
2. 数据采集与预处理
EEG和MEG数据同时记录。EEG使用30个被动电极记录，MEG使用Elekta Neuromag Triux系统记录，包含102个磁强计和204个平面梯度计。数据采样率为1000 Hz。预处理步骤包括Maxwell滤波以减少外部噪声，数据降采样至500 Hz，并使用零相移IIR滤波器进行滤波。EEG数据在1-40 Hz之间滤波，MEG数据在80-150 Hz之间滤波以提取HFA。
3. 数据分析
研究首先比较了不同对比度水平下的行为表现（反应时间和准确率），然后分析了C1和HFA的响应特性。C1成分通过比较UVF和LVF刺激的ERP波形来识别，HFA则通过Hilbert变换提取其包络振幅。最后，研究比较了C1和HFA的潜伏期和振幅调制。
主要结果
1. 行为结果
参与者的反应时间和准确率在不同对比度水平下没有显著差异，表明任务无关的对比度变化并未影响行为表现。
2. C1响应
C1成分在后部EEG电极PO3和PO4上达到峰值，UVF和LVF刺激分别引发负向和正向的C1反应。C1的振幅在44到88毫秒之间显著高于基线，且随着刺激对比度的增加而显著增加。
3. HFA响应
HFA在76到266毫秒之间显示出显著的振幅调制，但其振幅并未随对比度的变化而显著变化。HFA的峰值出现在172毫秒，显著晚于C1的峰值（68毫秒）。
4. C1与HFA的潜伏期比较
C1的起始时间和峰值时间均显著早于HFA，且两者的起始时间、峰值时间和峰值振幅之间没有显著相关性，表明HFA并非C1的简单回响。
结论与意义
本研究通过同时记录EEG和MEG，揭示了C1和HFA在视觉处理中的不同角色。C1作为前馈输入的标志，对任务无关的对比度变化敏感，而HFA则表现出更持久的响应，且不受对比度变化的影响。HFA的延迟峰值表明它不仅包含前馈信息，还可能涉及反馈过程。这些发现为理解视觉信息处理的时间动态提供了新的见解，并强调了C1和HFA在视觉皮层中的不同功能。
研究亮点
- 时间动态的揭示：C1和HFA的时间分离表明它们在视觉处理中扮演不同的角色，C1代表前馈输入，而HFA可能涉及反馈过程。
- 对比度调制的差异：C1对任务无关的对比度变化敏感，而HFA则不受影响，进一步支持了C1作为前馈输入标志的观点。
- 非侵入性方法的创新应用：通过EEG和MEG的联合记录，本研究为非侵入性地研究视觉处理提供了新的方法。