深圳子科生物報(bào)道:2019年8月5日，《美國(guó)科學(xué)院院刊》（Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America）在線刊發(fā)了北京大學(xué)心理與認(rèn)知科學(xué)學(xué)院、麥戈文腦科學(xué)研究所、生命科學(xué)聯(lián)合中心方方教授課題組的論文“The causal role of alpha oscillations in feature binding”。該研究借助腦電圖記錄和經(jīng)顱交流電刺激的方法探討了alpha振蕩在視覺(jué)特征綁定過(guò)程中的關(guān)鍵作用，在揭示特征綁定的神經(jīng)機(jī)制方面取得了重要進(jìn)展。 

我們的視覺(jué)系統(tǒng)在知覺(jué)外部世界的過(guò)程中，遵循著先分解，再組合的原則，即外部物體的視覺(jué)輸入信息首先會(huì)被分解成不同的特征，如形狀、顏色、運(yùn)動(dòng)等，這些特征會(huì)分別在不同的腦區(qū)進(jìn)行加工，隨后被整合到一起，形成對(duì)物體統(tǒng)一的知覺(jué)。這一整合過(guò)程的神經(jīng)機(jī)制，被稱為特征的綁定問(wèn)題(the binding problem)，是視覺(jué)科學(xué)乃至整個(gè)腦科學(xué)領(lǐng)域中令人費(fèi)解的核心問(wèn)題之一。 

“神經(jīng)振蕩假說(shuō)”是對(duì)特征綁定問(wèn)題的一種流行的解釋。研究者發(fā)現(xiàn)，單個(gè)神經(jīng)元傳遞的信息可能不僅僅是發(fā)放或者靜默這么簡(jiǎn)單，在一段時(shí)間內(nèi)，神經(jīng)元的發(fā)放也存在著一定的周期性規(guī)律。當(dāng)大量神經(jīng)元同步有規(guī)律地發(fā)放，在宏觀層面，就可以觀測(cè)到神經(jīng)系統(tǒng)的活動(dòng)呈現(xiàn)出周期性的振蕩模式，即神經(jīng)振蕩。“神經(jīng)振蕩假說(shuō)”認(rèn)為加工不同特征的神經(jīng)元會(huì)通過(guò)特定頻率的神經(jīng)振蕩來(lái)進(jìn)行通信，比如加工同一物體不同特征的神經(jīng)元群都會(huì)在一個(gè)振蕩周期內(nèi)的特定相位發(fā)放。從而被上游神經(jīng)元探測(cè)，實(shí)現(xiàn)不同特征的整合綁定。 

以往的研究認(rèn)為gamma振蕩，即30-60Hz的神經(jīng)振蕩可能在特征綁定的過(guò)程中起到重要作用。但作為高頻的神經(jīng)振蕩，gamma振蕩的能量往往會(huì)隨著傳輸距離的增加而大幅減弱，從而難以解釋大范圍或長(zhǎng)距離腦區(qū)間的信息聯(lián)絡(luò)，如運(yùn)動(dòng)（在外側(cè)顳葉區(qū)域進(jìn)行加工表征）和顏色（在枕葉腹側(cè)區(qū)域進(jìn)行加工表征）特征的綁定。 

針對(duì)這一矛盾問(wèn)題，方方教授課題組使用了一種罕見(jiàn)的顏色和運(yùn)動(dòng)錯(cuò)誤綁定現(xiàn)象結(jié)合腦電記錄（EEG）對(duì)神經(jīng)振蕩在其綁定過(guò)程中的作用進(jìn)行探討。這種刺激在呈現(xiàn)過(guò)程中，觀看的個(gè)體可能會(huì)在正確知覺(jué)和錯(cuò)覺(jué)中交替切換，產(chǎn)生不同的顏色-運(yùn)動(dòng)方向綁定狀態(tài)，也反映了神經(jīng)系統(tǒng)在進(jìn)行特征綁定過(guò)程的兩種不同編碼加工模式。通過(guò)比較兩種知覺(jué)狀態(tài)下神經(jīng)活動(dòng)的不同，就可以一窺與特征綁定過(guò)程相關(guān)的重要神經(jīng)成分。研究發(fā)現(xiàn)在兩種不同的知覺(jué)狀態(tài)下，對(duì)應(yīng)枕葉腦區(qū)的alpha振蕩（8-13Hz）產(chǎn)生了顯著的能量差異，而包括gamma在內(nèi)的其他頻段振蕩則沒(méi)有表現(xiàn)出差異。進(jìn)一步的分析發(fā)現(xiàn)，個(gè)體alpha振蕩的能量越高，正確知覺(jué)在實(shí)驗(yàn)中所占的比例越高。個(gè)體在alpha振蕩的峰頻率越高，在兩種知覺(jué)狀態(tài)之間切換的頻率也越高。不同的振蕩屬性對(duì)應(yīng)著在特征綁定過(guò)程中表現(xiàn)出的不同行為模式，提示alpha振蕩與特征綁定過(guò)程的相關(guān)關(guān)系。 

為了進(jìn)一步確認(rèn)腦電實(shí)驗(yàn)中所發(fā)現(xiàn)的alpha振蕩與特征綁定過(guò)程的關(guān)系，方方教授課題組選擇了經(jīng)顱交流電刺激（tACS）的方法，對(duì)個(gè)體的神經(jīng)振蕩模式進(jìn)行調(diào)制。經(jīng)顱電刺激通過(guò)在受試者頭皮貼附電極，施加微量的交流電刺激，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)神經(jīng)系統(tǒng)振蕩的調(diào)制。已有研究證明，通過(guò)施加與個(gè)體alpha振蕩峰頻率（IAF）相同的交流電刺激，能夠增強(qiáng)個(gè)體的alpha振蕩能量。在這一部分研究中，方方課題組發(fā)現(xiàn)當(dāng)使用交流電刺激增強(qiáng)個(gè)體alpha振蕩能量時(shí)，受試會(huì)更多地產(chǎn)生正確綁定的知覺(jué)；而當(dāng)施加與個(gè)體alpha振蕩峰值相同頻率（IAF）以及這一峰值對(duì)應(yīng)頻率增加或減少2Hz頻率（IAF+2Hz，IAF-2Hz）的交流電刺激，被試在兩種知覺(jué)狀態(tài)之間的切換頻率也隨之改變。這些結(jié)果均與之前的相關(guān)分析相符，從而直接證明了alpha振蕩在顏色-運(yùn)動(dòng)特征綁定過(guò)程中起到的因果性作用。這一研究系證明alpha振蕩在特征綁定過(guò)程當(dāng)中起到的重要作用，為深入理解視覺(jué)特征綁定過(guò)程與神經(jīng)振蕩之間的關(guān)系提供了全新的視角。 

北京大學(xué)心理與認(rèn)知科學(xué)學(xué)院的博士后張硯雨、生命科學(xué)聯(lián)合中心博士生張翼飛為論文的共同作者。方方教授和作者張硯雨為本文共同通訊作者。該研究由國(guó)家自然科學(xué)基金委、國(guó)家科技部、北京市科技委和北京大學(xué)-清華大學(xué)生命科學(xué)聯(lián)合中心資助完成。

原文標(biāo)題：

The causal role of alpha oscillations in feature binding