驱动和调制回路在皮层和皮层下网络中的频谱时间特征

《Frontiers in Human Neuroscience》：Spectrotemporal signatures of driving- and modulatory circuits across cortical and subcortical networks

　　

摘要：引言：感觉处理依赖于神经回路之间的相互作用，这些回路在皮层和皮层下网络中传递和调节信息。经典框架区分驱动输入（driving inputs）和调制输入（modulatory inputs），驱动输入通过超阈值激活传递感觉内容，而调制输入在不直接引发动作电位的情况下改变神经元兴奋性。然而，这些回路类型在广泛分布于大脑区域中的生理特征仍不清楚。方法：研究人员通过同时量化清醒猕猴大脑中八个皮层和丘脑结构在听觉、视觉和眼动条件下的超阈值多单元活动（MUA）和振荡相位一致性（试次间一致性，ITC），在功能上区分了驱动和调制回路。结果：偏好感觉刺激引发宽带ITC增加，伴随强烈的MUA，产生相邻频带相对均匀的频谱分布，与驱动输入一致。相反，非偏好感觉和眼动相关事件产生窄带、频率特异性ITC调制，无同时发放，其特征是在刺激或事件频率处出现主导峰值，与调制输入一致。这两种反应类型在单个区域内观察到，揭示了两种可分离的神经活动模式。讨论：这种窄带ITC调制表明协调的相位对齐，能够动态调节由驱动输入介导的跨丘脑皮层回路的信息传递。这些发现识别了皮层和丘脑水平上驱动和调制回路特性的独特频谱时间特征，并表明阈值下振荡调制是一种广泛存在的现象，反映了跨模态和扫视相关对神经兴奋性的影响。

**研究背景**
感觉处理依赖于皮层和皮层下网络中神经回路的协调活动，这些回路传递并转换来自外周的信息。经典框架（Sherman和Guillery, 1998；Jones, 1998）区分了“驱动输入”（driving inputs）和“调制输入”（modulatory inputs）：驱动输入通过超阈值激活传递信号的主要内容，塑造感受野特性；而调制输入主要调整目标神经元的反应性，而不直接驱动动作电位（Jones, 2001；Lakatos等, 2007；Schroeder和Lakatos, 2009）。然而，这些回路类型在分布广泛的脑区中的生理特征尚不明确。先前研究多聚焦于单一结构，难以评估驱动和调制机制如何在感觉层级中的分布式节点并行运作。此外，跨模态和运动相关信号（如眼跳）通过调制通路影响振荡相位和增益，但其在皮层下结构的普遍性仍不清楚。因此，本研究旨在通过同时记录清醒猕猴多个皮层和丘脑结构的神经活动，识别驱动和调制回路的频谱时间特征，并探讨它们如何协调跨模态和运动相关的感觉处理。

**研究内容与结论**
研究人员在6只清醒猕猴（1雄5雌，体重4.5–10 kg）的137个实验会话中，从8个皮层和丘脑区域（初级听觉皮层A1、次级听觉皮层Belt、腹侧内侧膝状体MGBv、非丘系内侧膝状体MGB、外侧膝状体LGN、内侧丘脑枕mPul、外侧丘脑枕Pul、初级运动皮层）共207个记录位点，采集了场电位和多单元活动（MUA）数据。实验包括三种条件：节奏性宽带噪声（BBN）流（1.6 Hz）、节奏性LED闪光流（1.8 Hz）和静息态（无刺激，检测眼跳）。通过比较偏好/非偏好感觉刺激和眼跳事件下的MUA和试次间一致性（ITC），研究人员发现：偏好感觉刺激（如BBN对听觉区域）引起宽带ITC增加，伴随强烈的MUA，相邻频带的频谱分布均匀（面积下曲线AUC无显著差异），符合驱动输入特征；非偏好感觉刺激（如LED对听觉区域）和眼跳事件则产生窄带、频率特异性ITC调制，无MUA增加，ITC峰值集中在刺激或事件频率，符合调制输入特征。这些模式在单个区域内共存，表明两种可分离的神经活动模式。研究还发现，调制输入引起的窄带相位对齐可动态调节驱动输入介导的信息传递，且阈值下振荡调制是跨模态和眼跳影响神经兴奋性的普遍现象。该论文发表在《Frontiers in Human Neuroscience》。

**关键技术方法**
1. **多电极记录与信号处理**：使用线性阵列多触点电极（23触点，100 μm间距）同时记录场电位和MUA。对皮层信号计算一维电流源密度（CSD），对丘脑信号计算双极推导，以减小容积传导影响。
2. **ITC分析**：通过Morlet小波分解（0.7–50 Hz，69个尺度）提取每个试次的瞬时相位，计算试次间一致性（ITC），并用Rayleigh均匀性检验评估ITC峰值的显著性（Bonferroni校正）。
3. **统计比较**：采用Wilcoxon秩和检验比较MUA的显著诱发反应（0–300 ms），使用Kruskal-Wallis检验比较不同反应类型下ITC峰值在频带间的AUC差异，并基于bootstrap估计同时置信区间以比较频谱时间分布。
4. **样本来源**：数据来自6只猕猴，实验前经手术植入PEEK记录腔和头固定装置，所有程序经Nathan Kline研究所动物护理和使用委员会批准。

**研究结果**
- **Evoked multiunit activity (MUA) responses in cortical and subcortical brain structures related to auditory, visual and saccadic events**：偏好刺激（如BBN对MGBv、LED对LGN）诱发显著的超阈值MUA反应（兴奋性或抑制性），而非偏好刺激和眼跳事件在多数区域不引起MUA变化（图2，表1）。例如，BBN在A1、Belt、MGBv等区域诱发兴奋性MUA（59%位点），而LED仅在LGN和Pul等视觉区域诱发兴奋性MUA（10.1%位点），眼跳在LGN和Pul引起混合的抑制/兴奋模式（4.8%位点兴奋）。
- **Spectral properties of responses related to auditory, visual and saccadic events**：偏好刺激引发宽带ITC，覆盖delta至gamma频带（1–50 Hz），伴随MUA；非偏好刺激和眼跳引起窄带ITC，峰值集中在刺激或事件频率（如1.6 Hz、1.8 Hz或眼跳中位频率2.2 Hz），无MUA（图3，4）。例如，MGBv对BBN显示宽带ITC，而对LED和眼跳显示窄带ITC；LGN对LED显示宽带ITC，对BBN显示窄带ITC。
- **Evoked and modulatory responses exhibit distinct AUC patterns across adjacent frequency bands**：通过计算ITC峰值分布在各频带的AUC，发现诱发反应在相邻低频带（delta和theta）的AUC无显著差异，表现为宽带均匀性；而调制反应的delta带AUC显著高于其他所有频带（包括相邻theta），表现为窄带集中（图6）。例如，BBN诱发反应的delta和theta AUC无差异（p=0.2），但调制反应的delta AUC显著高于theta（p=3×10^-8）。
- **Spectrotemporal distribution of significant ITC peaks related to multi-modal events across brain structures**：在皮层区域（如A1），诱发反应在delta、theta、alpha带ITC峰值显著多于调制反应，且gamma带在0–60 ms和100–150 ms出现两个爆发；在丘脑区域（如MGBv），诱发反应的beta和gamma带ITC峰值在0–40 ms和120 ms前后增加，而delta/theta带与调制反应无差异（图7）。眼跳相关ITC峰值主要限制在delta–theta频带。
- **Stimulation-rate dependent modulatory phase coherence across frequency bands**：在6 Hz LED刺激下，调制反应的ITC峰值集中在theta带（6 Hz），而非delta带，表明相位对齐跟随刺激率，且不出现低于刺激率的频率（图8）。theta带AUC显著高于其他频带，与1.8 Hz刺激时delta带主导的模式一致。
- **Phase alignment of MUA across brain structures related to multi-modal events**：在听觉驱动通路（A1、Belt、MGBv、MGB、mPul）中，BBN刺激时MUA相位在事件发生时对齐到高兴奋性相位（MUA正峰），且各区域相位分布无显著差异；在视觉驱动通路（LGN、Pul）中，LED刺激时MUA相位也对齐到高兴奋性相位；在静息态眼跳时，A1和LGN的MUA相位对齐到低兴奋性相位（MUA负峰），而mPul对齐到稍高的兴奋性相位（图9）。这些相位对齐可能促进跨区域信息传递。

**讨论与结论**
讨论部分总结了研究的主要发现：驱动和调制回路在皮层和丘脑水平具有不同的频谱时间特征——驱动输入表现为宽带ITC和MUA，调制输入表现为窄带ITC无MUA，且阈值下振荡调制是跨模态和眼跳相关影响的普遍机制。研究还指出，调制输入通过相位对齐动态调节驱动输入的信息传递效率，这可能与预测性时序和主动感知模型一致。此外，眼跳引起的相位对齐在不同区域存在相位差（如mPul与A1/LGN），提示层级处理延迟。结论部分翻译如下：总之，我们的研究结果描绘了皮层和丘脑感觉层级中驱动和调制回路的生理组织。研究结果支持一个整合模型，其中驱动和调制回路通过振荡相位动力学合作调节感觉处理。驱动输入通过同步发放传递内容，而调制回路定义这些传递有效的时间窗口。通过相位对齐，调制通路可以暂时将区域耦合为连贯的处理集合，而相位发散可能限制或门控信息传递。这种动态相互作用使大脑能够根据行为需求和上下文预测灵活地路由感觉信息。通过结合超阈值和阈值下活动测量，我们的结果扩展了经典解剖学区分，并将这些回路类型与可在皮层和丘脑层级中追踪的独特电生理特征联系起来。最后，将这些分析扩展到行为参与状态，可以确定注意力或期望如何调节驱动和调制活动之间的平衡。此类实验将为相位协调是否作为感觉门控和预测性控制的主动机制提供关键检验。