灵长类腹侧前运动皮层在时间感知中的情境神经动力学
腹侧前运动皮层在时间感知中的神经动态研究
学术背景
时间感知是神经科学研究中的核心问题之一，尤其是在认知需求变化时，大脑如何编码时间信息。时间可以被分类为“长”或“短”，也可以被精确地表示为连续的时间间隔。腹侧前运动皮层（ventral premotor cortex, VPC）在复杂的时序处理中扮演重要角色，如语言处理，但其在时间估计中的具体作用仍未被充分探索。本研究旨在探讨灵长类动物在进行时间间隔比较任务（time interval comparison task, TICT）和时间分类任务（time interval categorization task, TCT）时，VPC 如何处理时间信息。
论文来源
该研究由 Héctor Díaz、Lucas Bayones、Manuel Álvarez 等多位研究者共同完成，研究团队来自墨西哥国立自治大学（Universidad Nacional Autónoma de México）的细胞生理学研究所。论文于2025年2月6日发表在《美国国家科学院院刊》（Proceedings of the National Academy of Sciences, PNAS）上，题目为《Contextual neural dynamics during time perception in the primate ventral premotor cortex》。
研究流程
实验设计
研究分为两个主要任务：时间间隔比较任务（TICT）和时间分类任务（TCT）。在 TICT 中，猴子需要比较两个连续的时间间隔（int1 和 int2），并在固定延迟后判断哪个间隔更长。在 TCT 中，猴子需要对单个时间间隔进行分类，判断其为“长”或“短”。每个任务中，研究者通过电生理记录 VPC 神经元的活动。
实验对象与方法
研究使用了两只猴子作为实验对象，分别进行 TICT 和 TCT 任务。实验中，机械探针刺激猴子指尖的皮肤，猴子通过按压按钮进行反应。神经元活动的记录通过放置在 VPC 中的电极完成，电极的位置通过 MRI 扫描精确定位。
数据分析
研究者使用主成分分析（PCA）和互信息（mutual information）等方法分析神经元的群体活动。特别地，研究者开发了一种基于余弦相似度的分析方法，用于量化不同时间点的神经元群体状态的相似性。
主要结果
TICT 中的神经元活动
在 TICT 中，VPC 神经元的反应呈现出高度的异质性。大多数神经元在时间间隔呈现期间表现出活动，而一小部分神经元在工作记忆期间保留了时间信息。神经元群体的活动在 TICT 中表现出线性关系，与时间间隔的持续时间呈正相关。在延迟期间，这种参数化的编码模式被保留。
TCT 中的神经元活动
在 TCT 中，神经元的活动则表现出分类特征。神经元根据时间间隔的类别（长或短）显示出不同的动态模式。在延迟期间，神经元群体活动清晰地分为两类，分别对应“长”和“短”时间间隔。
群体动态分析
通过 PCA 分析，研究者发现 VPC 在 TICT 和 TCT 中表现出不同的群体动态。在 TICT 中，群体活动呈现出参数化的线性关系，而在 TCT 中，群体活动则根据时间间隔的类别显著分离。这种动态的切换表明，VPC 能够根据任务需求灵活地编码时间信息。
结论
本研究表明，VPC 在时间间隔的编码和记忆维持中扮演着关键角色。神经元群体在 TICT 中通过参数化的线性关系编码时间信息，而在 TCT 中则根据时间间隔的类别进行分离。这种灵活的动态适应能力凸显了 VPC 在处理时间信息中的重要作用，揭示了大脑如何根据认知需求调整时间感知的神经机制。
研究亮点
- 任务依赖的时间编码：本研究发现 VPC 能够根据任务需求（比较或分类）灵活地调整其时间编码模式。
- 群体动态分析：通过 PCA 和余弦相似度分析，研究者揭示了 VPC 在时间感知中的动态演变机制。
- 参数的记忆维持：在 TICT 中，VPC 能够在工作记忆期间持续保持时间信息的参数化编码，这为理解工作记忆中的时间处理提供了新视角。
- 分类的动态分离：在 TCT 中，VPC 能够清晰地将时间间隔分为“长”和“短”两类，并保持这种分类信息在整个延迟期间。
价值与意义
这项研究不仅扩展了我们对 VPC 功能的理解，还揭示了大脑在不同认知任务中处理时间信息的神经机制。特别地，研究结果表明，VPC 不仅参与感知时间的编码，还能够在工作记忆中维持这种信息，这为理解时间感知与认知控制之间的关系提供了重要线索。此外，该研究的方法学创新，如基于 PCA 的群体动态分析，为未来研究复杂认知任务中的神经机制提供了新的工具。
本研究为时间感知的神经基础提供了新的见解，并为探索其他认知功能（如决策和记忆）的神经机制奠定了基础。