基于同步分析的視覺神經元朝向選擇性研究

李朝輝，董增新，邵寧寧

(1. 燕山大學 信息科學與工程學院，河北 秦皇島 066004； 2.河北省信息傳輸與信號處理重點實驗室，河北 秦皇島 066004)

0 引言

朝向選擇性是初級視皮層的特性，表現為視皮層神經元對刺激方向的敏感反應。視覺神經元容易受到外界刺激的影響。有關神經元或神經元集群編碼感受野的刺激特征，而被神經元編碼處理后的視覺神經信息成為相關神經組織處理信息的重要依據[1]。LFP是神經元信號中重要的組成成分，是區域神經元群放電活動的低頻部分，其中的Gamma頻段與視覺信息處理過程關系密切。研究表明，Gamma頻段LFP同步會影響神經元的放電活動從而改變神經元的朝向選擇性[2]，不同朝向的光柵對V1區Gamma頻段LFP的能量有調制作用[3]，貓初級視覺皮層中神經元的Gamma頻段LFP的低頻(30～40 Hz)和高頻(60～80 Hz)對朝向選擇性分別有著不同的影響[4]。因此，Gamma頻段LFP的研究對于深入了解神經元形成朝向選擇性的機制具有重要意義。

視覺神經元群間的協同作用構建了視覺皮層處理信息的基本單元[5]，而腦區間的信號同步可以反映這種協同關系。研究表明，在腦區間的同步研究中，一致性算法可計算腦區間信號的頻域同步程度，可以較好地用于探索腦區間的溝通方式[6-7]。相位作為信號的基本要素，擁有較為重要的神經編碼信息。鎖相值可以體現信號相位間的變化，探索腦區間的功能性連接，已經用于探索治療癲癇[8-9]和帕金森[10]等疾病。

一致性和鎖相值都是用于探索腦區間功能鏈接的主要分析方式，而對于具有高度相似功能的腦區內的同步分析較少，有研究指出多通道的腦電信號同步分析方式可以較為準確地反映腦功能區域的同步程度[11]。因此本文通過一致性和鎖相值分別與相關矩陣相結合的方式來度量V1區和V4區內的整體同步，并首次將其與99%的高對比度的正弦光柵的朝向構建聯系，旨在探索神經元朝向選擇性研究的新方式。

1 材料與方法

1.1 實驗過程

將兩只雄性成年恒河猴作為實驗對象，并且相關實驗得到了北京師范大學實驗動物管理和使用委員會的批準。實驗開始前，使用氯胺酮(10 mg/kg)和異氟醚(1.5%)對動物進行全身麻醉，并將動物的頭部加以固定，以便于進行實驗前的注視訓練。在實驗過程中，將一個6×8的多電極陣列分別植入猴子視皮層區域(V1區和V4區)，使用128通道的Cerebus神經電生理信號記錄系統記錄神經刺激信號，采樣頻率為10 kHz，工頻為50 Hz。由視覺刺激系統進行視覺刺激，并且用陰極射線顯像管進行實驗觀察，實驗對象的觀看距離為100 cm。視覺刺激內容為不同朝向的正弦光柵，光柵空間頻率為2 周/度，時間頻率為4 Hz，在一個直徑為4°視角的圓形區域內顯示。正弦光柵的角度在0°到360°之間，步長22.5°，每次光柵刺激持續2 s，間隔為200 ms，光柵對比度為99%，各個朝向重復實驗30次，刺激呈現過程如圖1所示。

圖1 刺激呈現的過程Fig.1 The process of stimulation presentation

1.2 實驗數據預處理

為了獲得Gamma頻段的LFP信號，本文使用EEGLAB工具箱中的零相移數字濾波器對實驗記錄的原始信號進行30～80 Hz的帶通濾波，并將得到的Gamma頻段LFP信號用于以下所有分析中。

1.3 一致性

V1區Gamma頻段LFP與V4區Gamma頻段LFP在指定頻段上的同步由一致性度量，該方法是在頻域上量化兩個信號間的線性相關性[12]。它已經被用于量化腦半球內和半球間的功能關系[13]。對于V1區Gamma頻段LFP信號x和V4區Gamma頻段LFP信號y，一致性算法的公式為

(1)

其中，Cxy(ω)為兩種信號的互譜密度，Cxx(ω)和Cyy(ω)分別為x和y的自譜密度。Yxy(ω)的取值在0～1之間，當取值為0時，x和y不同步；當取值為1時，x和y完全同步。為獲得更魯棒的同步估計，首先將2 s的數據分為1 s長的信號段，然后50%交疊，得到三段數據，最后計算所有分段數據的均值。而兩段信號在特定頻段一致性估計的公式為

(2)

其中，S為該頻段上的頻率個數。Txy的值在0～1之間，表示兩段信號在特定頻段上的同步程度。

1.4 鎖相值

V1區Gamma頻段LFP與V4區Gamma頻段LFP在時域范圍內的同步由鎖相值度量，其公式定義為[14]

(3)

其中，M為數據長度，φi為兩個信號間的相位差。鎖相值取值范圍為0～1，反映兩個信號的相位波動情況。若兩個信號的瞬時相位差值小，VPLV接近1，兩個信號的相位完全同步；若兩個信號的瞬時相位差值大，VPLV接近0，兩個信號的相位完全不同步。

1.5 全局同步指數

多通道腦電信號的同步研究可以幫助人們認識到大腦皮層不同區域之間相互協作的機制，并深入探索大腦部位不同區域之間進行信息的組合、調制和傳輸的原理[15]。因此本文將一致性和鎖相值分別與相關矩陣結合，并構造全局性同步指數來度量V1區(或V4區)所有通道間的全局性頻域同步和全局性相位同步。其中，全局性頻域同步的具體計算方式為：

首先，在一致性算法的基礎上計算V1區和V4區48個電極之間的一致性值，構建48×48的相關矩陣D，并對相關矩陣D的特征值分解。各特征值降序排列且滿足λ1≤λ2≤λ3…≤λM；若V1區(或V4區)所有通道間的Gamma頻段LFP都是線性相關的，則相關矩陣中的每一個元素都為1，其最大特征值是M。若各通道間的Gamma頻段LFP完全無關，則相關矩陣D為一個單位矩陣，其最大特征值為1。這些特征值反映了多通道腦電信號的相關性[16]。

為獲得獨立于V1區(或V4區)Gamma頻段LFP同步的歸一化值，隨機化V1區(或V4區)Gamma頻段LFP的組合來計算替代相關矩陣R，λ1’≥λ2’≥λ3’…≥λM’并獲得替代相關矩陣R的特征值，重復這個隨機化過程并計算100次，得到最大特征值的均值和標準差，分別表示為λp和σ。

最終通過下式獲得全局性頻域同步指數：

(4)

其中，λk為相關矩陣D的最大特征值。全局性相位同步采用的是和全局性頻域同步相同的計算方式，其不同點是將相關矩陣D中的一致性值換成了鎖相值。

2 結果

2.1 V1與V4區間的頻域同步和時域同步

腦電信號的同步是不同腦區間進行信息傳遞和相互協調而表現出的一種生理現象，其在不同腦區之間普遍存在。對不同腦區間腦電信號的同步研究，有助于探究不同腦區間信息傳遞的原理和掌握神經性疾病(癡呆癥、輕度認知障礙等)的發病機理[17]。本文使用一致性和鎖相值來探索V1和V4區Gamma頻段LFP間的同步程度與不同朝向的視覺刺激特征的聯系，以揭示視覺神經編碼與腦區同步的內在規律。有研究指出在光柵朝向相差90°時，受光柵刺激的神經元特性發生明顯的變化[18]。因此本文以Monkey G為例，計算出V1和V4區48個電極之間的一致性值和鎖相值在135°和225°時的分布，并將其繪制在圖2中。

如圖2所示，無論是在135°朝向還是在225°朝向，一致性值和鎖相值在V1區與V4區所有通道之間都有分布，這說明其在V1區與V4區各個區域之間廣泛存在。從圖2(a)和圖2(c)中可以看出，大部分的一致性值和鎖相值較小，說明在135°朝向上，V1區與V4區大部分區域間的頻域同步和相位同步程度較低。從圖2(b)和圖2(d)中可以看出，大部分的一致性值和鎖相值較大，說明在225°朝向上，V1區與V4區之間的頻域同步與相位同步程度較高。

圖2 Monkey G的一致性值和鎖相值在V1與V4間的分布Fig.2 The distributions of coherence and phase locking value of Monkey G between V1 and V4

從圖2中可以看出，單純計算V1區與V4區的同步矩陣中主對角線上的數據不足以說明V1區與V4區之間真實的同步情況。為了更準確地反映V1區與V4區之間的頻域同步和相位同步與光柵朝向之間的內在規律，本文計算出30次實驗中V1區與V4區之間所有通道的一致性值和鎖相值，然后求取這些數據的平均值以及標準偏差，最后將結果繪制在圖3中。

圖3 一致性值和鎖相值的朝向調諧曲線Fig.3 The orientation tuning curves of coherence and phase locking value

從圖3中可以看出，一致性值隨著光柵朝向的變化而發生規律性的波動。當光柵朝向在135°時，一致性值和鎖相值最小；當光柵朝向在225°時，一致性值和鎖相值最大。這說明V1區與V4區之間的頻域同步和相位同步在非偏好朝向上最低，在偏好朝向上最高。同時觀察到朝向調諧曲線的相對變化，非偏好朝向上的值與偏好朝向上的值差別明顯，進而可知，一致性值和鎖相值與光柵朝向之間存在較強的相關性。同時，比較同一恒河猴的一致性值和鎖相值發現，在相同朝向上，鎖相值要普遍大于一致性值，但是觀察二者在各個朝向上的標準偏差可以發現，一致性值在各個朝向上的波動更加穩定。

2.2 V1區與V4區內的同步

神經元作為視覺信息處理的基本單元，在皮層的各部分之間均存在著交互聯系，形成多層次的特異性通路和分布廣泛的非特異性網絡[18]。通過信號采集系統記錄的頭皮腦電信號反映的是神經網絡中的各個部分在該區域神經活動的疊加，而出現這種復雜的神經網絡結構的原因是由于神經網絡的各部分之間存在局部和長距離的神經纖維組成復雜的耦聯[19]。

根據上述研究理論，V1區和V4區內各個通道的神經信號之間都可能存在同步關系。為了更直觀地表達V1區和V4區內各個通道神經信號間的同步程度，本文以Monkey G為例，計算135°和225°朝向上的V1區和V4區內各個通道Gamma頻段LFP間的頻域同步和相位同步，并將所有通道之間的結果分別繪制在圖4和圖5中。

圖4 Monkey G一致性值在V1區和V4區內的分布Fig.4 The distributions of coherence of Monkey G in V1 and V4

從圖4和圖5中可以看出，V1區和V4區內各個通道之間都存在著頻域同步關系和相位同步關系，說明Gamma頻段LFP間的頻域同步和相位同步在V1區和V4區內的各個區域之間廣泛存在。在圖4(a)、圖4(c)、圖5(a)和圖5(c)中，當光柵朝向在135°時，V1區和V4區內各個通道之間的同步關系較弱。在圖4(b)、圖4(d)、圖5(b)和圖5(d)中，當光柵朝向在225°時，V1區和V4區內各個通道之間的同步關系較強，這說明V1區和V4區內的頻域同步和相位同步對不同朝向的光柵刺激敏感。另外，通過比較圖4和圖5還可以發現，在相同朝向上，無論是V1區內還是V4區內，一致性值的分布和鎖相值的分布都存在著差異。這意味著腦區內各通道間的頻域同步和相位同步在探索腦區功能的過程中發揮著不同的作用。

為了更清晰地表達V1區與V4區內的全局性頻域同步和全局性相位同步與光柵朝向之間的聯系，本文首先計算出了30次實驗的全局性頻域同步和全局性相位同步值，然后計算了每個朝向上的標準偏差，最后所得結果如圖6和表1所示。

圖5 Monkey G鎖相值在V1區和V4區內的分布Fig.5 The distributions of phase locking value of Monkey G in V1 and V4

在圖6中，紅色標記所在的曲線是全局性相位同步的朝向調諧曲線，黑色標記所在的曲線是全局性頻域同步的朝向調諧曲線。由圖6可知，全局性相位同步和全局性頻域同步隨著光柵朝向的變化而發生規律性的變化，顯示出明顯的朝向選擇性，其在非偏好朝向(135°)上的值較小，在偏好朝向(225°)上的值較大。這說明V1區和V4區內所有通道間的頻域同步和相位同步受到不同朝向光柵的調制作用而表現出趨于一致的規律性。另外，由圖6亦可得，在相同的視覺神經區域中，全局性相位同步普遍大于全局性頻域同步，這說明無論是在偏好朝向上還是非偏好朝向上，V1區和V4區內整體的相位同步強度要大于V1區和V4區內整體的頻域同步強度。此外，在同一獼猴中，全局性相位同步的朝向調諧曲線在V1區和V4區之間的差異明顯，而全局性頻域同步的朝向調諧曲線在V1區和V4區之間的差別不明顯。這說明相位同步受光柵的調制作用在V1區和V4區之間存在明顯差異，而頻域同步受光柵的調制作用在V1區和V4區之間無明顯差異。

圖6 全局性同步的朝向調諧曲線Fig.6 The orientation tuning curves of global synchronization

從表1中可以看出，在相同的朝向上，無論是全局性相位同步還是全局性頻域同步，V1區的標準偏差普遍小于V4區的標準偏差，這說明V1區的全局性同步在各個朝向上的波動比V4區的全局性同步在各個朝向上的波動小，反映出全局性同步在V1區具有良好的穩定性。

2.3 朝向調諧指數

為了更好地說明以上所有方法在衡量朝向選擇性方面的性能，本文引入朝向調諧指數的概念。其公式定義如下[20]：

(5)

其中，Pp為偏好朝向下的同步值，而Po為兩個非偏好朝向下的同步值的平均值，即Po=(P1+P2)/2。朝向調諧指數越大，神經元對漂移光柵的朝向選擇性越顯著。

本文首先計算出了V1區與V4區以及V1區和V4區內所有通道間的30次實驗數據的朝向調諧指數，然后將這些結果進行平均，并求取標準偏差，最后將得到的結果分別繪制在圖7和圖8中。

從圖7中可以看出，無論是Monkey G還是Monkey H，一致性值的朝向調諧指數都大于鎖相值的朝向調諧指數。這說明一致性值在偏好朝向和與偏好朝向正交的朝向之間的差別更大，對光柵刺激更敏感。綜合而言，一致性值可以更好地反映腦區之間的同步變化，可作為研究獼猴視皮層V1與V4區神經元間朝向選擇性的基礎，同時也反映出頻域同步在神經元跨區通信中起到了十分重要的作用。

從圖8中可以看出，在V1區和V4區中，全局性相位同步的朝向調諧指數大于全局性頻域同步的朝向調諧指數，這說明全局性相位同步指數對光柵的刺激較為敏感。另外，比較同一獼猴的朝向調諧指數發現，V1區的全局性相位同步和全局性頻域的朝向調諧指數分別大于V4區的全局性相位同步和全局性頻域的朝向調諧指數。這說明V1區的神經元比V4區的神經元對光柵的刺激敏感。綜合而言，全局性相位同步可以更好地表征V1區和V4區內所有通道間的整體同步變化，可作為研究獼猴視皮層V1區和V4區內神經元間朝向選擇性的基礎，同時也反映出相位同步在具有高度相似功能的神經區域間(V1或V4)起到了十分重要的作用。

圖8 全局性同步的朝向調諧指數Fig.8 The orientation tuning indices of the global synchronization

3 結論

本文利用一致性、鎖相值、全局性頻域同步和全局性相位同步用于V1區與V4區各通道間以及V1區和V4區內各通道間的同步分析，以構建不同朝向上V1區和V4區Gamma頻段LFP的同步程度與視覺刺激特征之間的聯系。結果顯示：

V1區與V4區之間的同步以及V1區和V4區內的同步與光柵朝向之間存在較強的相關性，會隨著光柵朝向的變化而變化，能夠反映基本的視覺刺激特征，其在偏好朝向下的同步關系最強，在非偏好朝向下的同步關系較弱。通過比較其朝向調諧指數表明，一致性值相比鎖相值可以更好地表征V1區與V4區之間的朝向選擇性，而全局性相位同步比全局性頻域同步可以更好地表征V1區和V4區內的朝向選擇性。本文的研究結果不僅為腦區間的同步研究提供了比較有效的指導方向，還為神經元朝向選擇性的研究奠定了基礎。