轨迹预测的阈下违反对小脑Crus I/II经颅磁刺激敏感

《NeuroImage: Reports》：Subthreshold violations of trajectory predictions are sensitive to TMS of cerebellum Crus I/II

　　

摘要：研究人员最近提出，当视觉物体相互靠近时，可能涉及毫秒级别的轨迹预测和感觉核对。研究人员通过探索一种新发现的错觉（即碰撞时感知到间隙）中正方形轨迹的阈下操纵的后果，检验了这一可能性。研究人员首先检验了该操纵对意识错觉的影响。以一种更具探索性的方式，研究人员研究了该操纵的脑电图（EEG）相关性，以及经颅磁刺激（TMS）对小脑（右侧Crus I/II）的影响。TMS是一种典型的间歇性θ爆发刺激，但仅持续约3分钟的一个序列，与假刺激相比。所有参与者都参加了两次TMS疗程，顺序为假-真或真-假。轨迹操纵发生在碰撞前不到60毫秒内，并可靠地降低了错觉率。结果表明，轨迹变化后预测被暂时中止。错觉伴随着CP4电极处的晚期正性事件相关电位（ERP）信号。这些信号的幅度被小脑上的真TMS所调节，但仅在假-真顺序组中。总体而言，结果与毫秒级别轨迹规律性的自动验证一致。

以下是关于论文《轨迹预测的阈下违反对小脑Crus I/II经颅磁刺激敏感》的解读文章：

**研究背景与问题**

在日常生活和视觉感知中，大脑依赖内部模型对物体运动轨迹进行预测，例如当两个物体相向运动时，我们会预测它们将发生碰撞。这种预测依赖于统计规律和物体未来位置的预期，其精确性对于避免碰撞至关重要。然而，现实中的运动轨迹常存在微小、无意识的偏差（阈下违反），即这种偏差在少于50%的试次中被有意识地感知到。目前尚不清楚这类阈下预测错误（prediction error）是否会影响意识知觉，以及其加工过程是否可以被调节。小脑（cerebellum）在运动预测、毫秒级时间处理和预测错误编码中发挥关键作用，尤其是其外侧部分（Crus I/II）参与视觉轨迹的时空预测。因此，本研究旨在探索：毫秒级轨迹扰动是否影响碰撞预测及其意识后果；小脑的经颅磁刺激（TMS）能否调节这种加工。该研究发表在《NeuroImage: Reports》。

**研究人员开展的研究与结论**

研究人员使用一种新发现的碰撞错觉任务：两个黑色方块相向运动至中心接触，接触时间极短（17或33毫秒）时，参与者常感知到方块间存在间隙（错觉），而非接触。研究者在部分试次中引入阈下轨迹扰动（方块在碰撞前33毫秒内跳跃2像素而非1像素），并测量行为（错觉率）、脑电图（EEG）信号，以及在小脑Crus I/II施加间歇性θ爆发刺激（iTBS）或假刺激。在24名健康参与者（斯特拉斯堡大学学生）中，研究比较了真刺激与假刺激前后行为与EEG的变化。结果显示：轨迹扰动显著降低了错觉率，并增强了CP4电极处的晚期正性ERP（event-related potential）信号幅度；TMS对EEG信号有调节作用，尤其在假-真顺序组中，真刺激后扰动试次的ERP幅度增加，行为上错觉率也有降低趋势。该结果支持毫秒级轨迹预测的存在及其对意识知觉的影响，并提示小脑参与该加工过程。

**关键技术方法**

1. **视觉刺激与碰撞错觉任务**：使用两个黑色方块（1°×1°视角）在灰色背景上相向运动，500毫秒内移动30像素（1像素/帧），接触时间为17、33或200毫秒（200毫秒为控制条件）。部分试次中引入轨迹扰动：在碰撞前33毫秒，方块跳跃2像素（而非1像素），随后再移动1像素，扰动总持续时间约68毫秒，且为阈下操作（参与者无法有意识察觉）。
2. **贝叶斯统计分析**：采用贝叶斯Beta回归方法（使用RJAGS包），以最小信息先验，计算后验分布和优势比（OR），概率阈值Pr>0.975或Pr<0.025视为有意义效应。
3. **脑电图（EEG）记录**：使用64通道ActiveTwo BioSemi系统，采样率2048 Hz，离线降采样至512 Hz，带通滤波至25 Hz，以平均参考重参考，并通过独立成分分析（ICA）去除眨眼伪迹。分析感兴趣电极CP4在接触后0.15-2秒内的平均幅度。
4. **经颅磁刺激（TMS）**：采用MagPro X100?刺激器，使用65mm八字形线圈，通过神经元导航系统（Localite）和机器人定位（Axilum Robotics）精确刺激右侧小脑Crus I/II。刺激方案为间歇性θ爆发刺激（iTBS）：10个双相脉冲（50 Hz）组成的爆发，以5 Hz重复，共20个爆发，间隔8秒，总时长3分22秒。刺激强度基于小脑阈值（在连续手指敲击任务中引起不同步的最小强度），平均为刺激器最大输出的56.8±10.7%。样本队列来源：24名健康年轻人，主要为斯特拉斯堡大学学生。

**研究结果**

**3.1 结果 before TMS**
**3.1.1 行为数据**：在干预前的晨间会话中，通过比较不同试次类型（第一块纯非扰动试次、混合块非扰动试次、混合块扰动试次）发现，非扰动试次的错觉率显著高于扰动试次。具体而言，混合块中扰动试次与非扰动试次相比，优势比OR=0.38，95%可信区间[0.18, 0.68]，Pr(perturbed > non-perturbed)=0.001；混合块扰动试次与第一块纯非扰动试次相比，OR=0.46，95% CI [0.22, 0.82]，Pr=0.006。非扰动试次在两种块间无差异（Pr=0.7）。该效应在两次晨间会话间稳定，且不受会话顺序影响。
**3.1.2 EEG数据**：在CP4电极（接触后0.15-2秒平均幅度）上，扰动试次的ERP幅度显著高于混合块非扰动试次（OR=5.5，95% CI [2.89, 9.59]，Pr>0.99），也高于第一块纯非扰动试次（OR=2.6，95% CI [1.36, 4.6]，Pr=0.99）。此外，混合块非扰动试次幅度低于第一块纯非扰动试次（OR=0.5，95% CI [0.27, 0.83]，Pr=0.004）。随时间变化，扰动试次的幅度从第一次晨会到第二次晨会下降（OR=0.26，95% CI [0.13, 0.44]，Pr<0.001），且受会话顺序调节。

**3.2 TMS的影响**
**3.2.1 非扰动试次**：行为上，混合块非扰动试次的错觉率在干预前后无显著变化（Pr(verum TMS > sham TMS)=0.49，Pr(after > before)=0.2）。EEG上，幅度在干预后增加（OR=2.04，95% CI [1.28, 3.1]，Pr(after > before)=0.99），但该增加主要来自假刺激条件（假刺激后增加，Pr=0.99），真刺激后无显著变化（Pr=0.56）。会话顺序无主效应，但与时间点有交互。
**3.2.2 扰动试次**：行为上，错觉率在干预前后无显著主效应或交互。但在探索性亚组分析中，假-真顺序组在真刺激后错觉率显著降低（Pr(after verum TMS > before verum TMS)=0.002）。EEG上，真刺激后幅度显著增加（OR=2.25，95% CI [1.3, 3.65]，Pr>0.999），而假刺激后无变化（Pr=0.04）。存在显著的三向交互（干预×时间点×会话顺序，OR=0.27，95% CI [0.06, 0.82]，Pr=0.012），表明幅度增加仅出现在真刺激应用于第二次会话时（假-真顺序组，OR=4.2，95% CI [1.95, 8.02]，Pr=0.999），而在第一次会话时无此效应（Pr=0.38）。
**3.2.3 行为与EEG相关性**：未发现行为与EEG结果之间存在显著相关。

**讨论与结论**

讨论部分指出，主要发现是阈下轨迹扰动在毫秒级影响了意识错觉率及EEG信号。扰动导致错觉率下降，这与轨迹预测被暂时中断的假设一致：68毫秒的延迟不足以重新调整预测，从而使预测错误难以产生，错觉率降低。EEG上，扰动诱发了晚期正性ERP信号（类似LPP），可能反映了轨迹变化的重要性。TMS对小脑Crus I/II的刺激调节了EEG反应，尤其在扰动试次中，真刺激后幅度增加（在假-真顺序组中），并伴随行为上的错觉率下降趋势，提示小脑参与毫秒级轨迹预测错误的加工。尽管存在会话顺序效应和探索性分析的限制，这些结果与文献中小脑在预测错误、运动、轨迹预测和毫秒级计时中的作用一致。

**结论部分翻译**：总之，研究人员提供了证据表明，在毫秒级操纵正方形运动轨迹会影响轨迹扰动后100毫秒内的轨迹加工，很可能通过中断轨迹预测来实现。即使操纵保持阈下，该效应仍会发生。尽管操纵具有阈下和非意识特征，它仍影响意识知觉，这通过错觉率的变化得到证实。结果因此确认，毫秒级的加工不仅限于自动调整。扰动并未被忽略，若轨迹是以注意力方式（100毫秒周期）验证，则可能被忽略。仍需探索扰动是否由于始终发生在同一时间（轨迹末端）而对效应起作用，以及轨迹核对机制的时间分辨率是否始终在毫秒级。此外，操纵以正性ERP信号的形式影响EEG信号。同时，针对小脑Crus I/II的刺激轻微影响行为，更明显地影响晚期ERP信号，至少在那些在完成任务三次后接受真TMS的参与者中如此。这些结果提示小脑的参与，但其精确作用需在未来的研究中更严格地评估。