人类中脑奖赏处理中物理显著性与刺激评估的时空分离机制

为解决奖赏处理中物理显著性与刺激评估的时空耦合难题，研究人员利用7T EEG-fMRI技术开展中脑多巴胺信号研究，发现后部黑质(SN)早期响应物理显著性，前部SN/腹侧被盖区(VTA)后期处理刺激评估，且早期信号增强后期评估。该研究首次揭示人类中脑存在注意力引导的奖赏处理通路，为精神疾病机制提供新见解。

　　

在复杂环境中快速检测和评估奖赏性刺激是生物体适应生存的关键能力。物理显著性高的刺激（如更大尺寸、更高对比度）往往能捕获更多注意力，进而可能影响后续的刺激评估过程。经典理论框架提出，多巴胺能中脑反应存在两个时序组件：早期价值不敏感的显著性信号和后期部分重叠但延迟出现的评估信号。然而，由于神经影像技术的时空分辨率限制，该框架在人类中的证据一直缺失，特别是早期物理显著性与后期评估信号是否在空间上分离仍不清楚。

为解决这一难题，格拉斯哥大学Joana Carvalheiro团队在《Current Biology》发表了创新性研究。他们通过自主研发的7T EEG-fMRI同步采集技术和定制化头线圈，首次在人类中脑实现了物理显著性与刺激评估信号的时空分离。

研究采用改良版货币激励延迟任务(MID task)，通过正交操纵线索大小（物理显著性）和奖赏预期（刺激评估）来分离两种信号。大型圆圈（高物理显著性）与小型圆圈（低物理显著性）分别与奖赏预测（10英镑）或无奖赏预测（0英镑）线索随机组合呈现。通过记录被试在延迟目标响应任务中的行为表现和神经活动，研究人员发现：尽管物理显著性不影响延迟响应行为，但立即响应任务确认了大尺寸线索确实捕获了更多注意力。

关键技术方法包括：自主研发的7T同步EEG-fMRI采集系统、基于机器学习的多变量解码分析获取单试次EEG信号变异性、EEG-informed fMRI分析耦合时空信号、心理生理交互分析(PPI)验证信号间功能连接，以及α频带功率分析作为注意力指标。研究纳入24名健康被试，采用高分辨率EPI序列（1.5mm各向同性）聚焦中脑区域。

时空分离的物理显著性与刺激评估信号

EEG多变量解码分析显示，早期物理显著性成分（大vs小线索）在230ms达到峰值，解码准确率在90-560ms显著高于随机水平；后期评估成分（奖赏vs无奖赏线索）在410ms达到峰值，在210-660ms保持显著。两个成分具有不同的头皮拓扑分布，证实它们源于不同的神经源。

中脑信号的时空动力学

标准fMRI分析仅检测到刺激评估相关的中脑激活，而物理显著性无显著激活。但EEG-informed fMRI分析揭示了关键发现：

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  早期时间窗（160-220ms）的物理显著性信号驱动后部黑质(SN)激活
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  后期时间窗（400-460ms和520-580ms）的评估信号驱动前部SN和VTA激活
  两种信号在空间上完全分离：物理显著性集群位于后部SN，而评估信号主要位于前部SN和VTA。

中脑功能梯度与信号交互

研究发现右侧SN/VTA存在显著的后前梯度：后部偏向物理显著性响应，前部偏向评估响应。心理生理交互分析显示，早期物理显著性集群与后期评估相关的VTA集群存在功能连接，且这种连接强度随评估EEG信号振幅增加而增强。

行为相关性与注意力机制

刺激评估相关的SN/VTA激活在正确试次中显著更强，表明其行为相关性。α抑制（8-12Hz）分析显示，大尺寸奖赏预测线索引发更强的α抑制（725-900ms），表明物理显著性通过增强注意力 engagement 来促进后续评估。

该研究首次在人类中脑证实了多巴胺能奖赏反应的双组件框架不仅存在时间上的分离，还存在空间上的分化。后部SN的早期物理显著性信号可能通过注意力机制增强前部SN/VTA的后期评估处理，这种时空分离的 pathway 为理解奖赏处理提供了新视角。方法学上，7T EEG-fMRI融合技术为研究深层核团提供了新范式，发现的中脑功能梯度为精神疾病（如精神分裂症、成瘾）中的多巴胺信号异常提供了精确的定位框架，为未来靶向治疗提供了新方向。