生活中，我們會遇到很多視覺相關的時間間隔信息，比如紅綠燈規律閃爍後的轉換，乒乓球或網球發球前的準備動作等。同時，我們也需要對各式各樣的時間間隔信息作出及時的響應。

作為一名科研工作者，複旦大學腦科學研究院張嘉漪研究員和團隊關注的是，如何對時間預測行為進行說明。

圖 | 張嘉漪（來源：張嘉漪）

那麼，先要弄清楚什麼是時間預測行為？為什麼它如此重要？以及時間預測行為是如何工作的？

為了探究這個問題，在最近一項工作中，該團隊給予受試者時間間隔為 5 秒或者 10 秒的重複光栅刺激。

“在人類志願者實驗中，我們告知被試需要盡可能準确地，通過按動按鈕來預測每次光栅刺激出現的時間，但并不告知重複光栅刺激結束的時間，”張嘉漪表示。

在小鼠實驗中，他們訓練小鼠在出現光栅的時候學會舔水，從而通過小鼠舔水的時間觀察其時間預測行為。

大部分志願者在重複光栅刺激結束後，都能通過按鍵這一操作，來準确地預測 5 秒或者 10 秒的時間間隔。與之相同的是，大部分小鼠在訓練後也能在 5 秒或 10 秒後，進行舔水動作，即使當時并沒有光栅刺激作為提示。

概括來說，該工作發現了三方面的新知識。

其一，對志願者腦電采集的實驗表明，初級視覺皮層幾乎獨立地進行了時間信息的預測任務。“這的确是出乎我們的預料，因為已有的文獻提示，腦對時間的處理可能需要較大範圍的腦區協作，”張嘉漪說。

得出這一結論的依據有兩點：

一是他們系統地觀察了人腦的 28 個腦區，發現當人在成功完成時間預測行為的時間點之前，視皮層的 Alpha 波震蕩能量會有一個持續數秒的升高，而絕大部分其他腦區則沒有這一現象。Alpha 波能量的升高非常顯著，以至于哪怕不看平均數據，單看每個人的腦電數據即可呈現腦電能量的變化；

二是，他們進一步觀察了時間預測行為發生前後、視皮層腦電低頻振蕩的相位，發現每次時間預測行為的 Delta 波相位有明顯的同步化。

以上兩個實驗現象提示，人腦視皮層的活動在時間預測行為中起到了關鍵作用。而後，課題組利用人和小鼠中腦電低頻震蕩的共性，在小鼠中利用光遺傳學、多通道電生理記錄等神經網絡解析的實驗手段，詳細研究了初級視覺皮層在時間信息預測中的貢獻。

其中，發現三個重要實驗現象：

一是當使用光遺傳學在時間預測行為前（即 Alpha 波能量升高時）抑制視皮層的活動後，小鼠的時間預測行為會收到很大的幹擾，這提示視皮層的活動确實在時間預測行為中起到了重要作用；

二是他們同步記錄了幾十個視皮層單個神經元的活動，并分析這些神經元在整個時間預測過程中的群體活動，結果發現初級視覺皮層中存在一群“時間序列”細胞，這些細胞會在視覺刺激的間隔期間按固定順序放電，這種放電模式很可能起到存儲時間長度信息的作用；

三是初級視覺皮層中還存在一群“帶節奏”細胞，這些細胞的活動具有可塑性，會跟随外界的規律刺激而産生逐步增強的有規律的活動，也就是帶節奏的能力随着刺激數量的增多會不斷增強。

（來源：張嘉漪）

基于此，該團隊根據小鼠實驗結果，提出了一個計算模型，其中包含“時間序列細胞”“雙吸引子網絡”、“符合 BCM 規則的突觸可塑性規則”等理論。這個計算模型能夠解釋視皮層在一定時間間隔産生預測性腦電活動的原因，提供了腦處理時間信息的可能機制。

近日，相關論文以《視覺皮層編碼人類和小鼠的時間信息》（Visual cortex encodes timing information in humans and mice）為題發表在 Neuron 上，于慶鵬、畢則棟、姜時澤、顔彪、陳鶴鳴和王依婷是第一作者，張嘉漪研究員、複旦大學附屬華山醫院毛穎院長和陳亮主任擔任共同通訊作者[1]。

圖 | 相關論文（來源：Neuron）

張嘉漪表示：“審稿人對‘初級視覺皮層幾乎獨立地進行了時間信息的預測任務’的發現表示驚訝。認為這項工作從多個角度（人、小鼠、模型）對腦的時間信息處理機制展開研究，是一項 powerful 的工作；認為我們的工作為時間感知領域帶來了新的以及重要的見解。”

就研究過程來說，主要分為三個階段：

第一階段，觀察實驗現象。在小鼠視皮層的電生理記錄中，該團隊發現給予小鼠周期性光刺激，小鼠視皮層會在光刺激結束後發生 reverberation 活動，這一活動離上一次光刺激結束的時間剛好和光刺激的周期相吻合。類似現象在小鼠的聽覺皮層也被其他團隊觀察到。“這一簡單的電生理現象引發了我們的思考，結合生物界時間間隔信息的重要性，我們提出了一個問題：皮層發生的 reverberation 活動是一些‘無用’的自發活動呢，還是和時間信息處理相關的重要活動？”課題組表示。

第二階段，基于上述猜想在小鼠中進行驗證。他們設計了預測時間間隔信息的小鼠行為學實驗，确定小鼠存在時間預測行為，從而在清醒小鼠中實施腦電記錄實驗，驗證了小鼠的 reverberation 活動确實和小鼠的時間預測行為有關，并且從細胞水平解析了視皮層神經環路中和時間預測相關的可塑性變化。

第三階段，在人類身上驗證結論。“我們很有幸地通過和複旦大學附屬華山醫院神經外科的合作，獲得了在癫痫病人植入電極後人腦顱内 Stereo-electroencephalograph（SEEG）電信号記錄的寶貴機會，”該團隊說。

這些病人通常智商正常，在接受電極植入手術後的 1-2 周内均處于清醒狀态，能夠理解根據行為學實驗設計所給出的指令，并積極配合完成實驗任務。“同時，我們對在這個工作中參與的 11 位病人及其家屬的科學奉獻精神表示崇高的敬意。”研究人員表示。

對于應用前景，課題組的幾位成員分别進行了展望。

其中，顔彪表示，對于機器視覺或者無人駕駛，或許可以結合現有模型為感知周圍時間相關的信息，提供靈感和支持。

陳鶴鳴認為，對于一些注意力缺陷的患者來說，如果能夠更好地感知時間間隔，患者對一些事物的專注度将會更加集中；對于一些陷入負面情緒的人來說，如果能夠人為縮短時間間隔感知，可以幫助他們更快地從負面情緒中走出來。

王依婷也認為，對于注意力容易分散的人，可能可以通過結合特定行為範式和電刺激加強他對時間間隔的感知，幫助集中注意力。

李可馨也表示，可以通過視覺刺激和訓練，有意識地加強人對時間的把控，提高短時範圍内的注意力。

而在後續，他們将繼續和複旦大學附屬華山醫院毛穎院長、以及陳亮主任的團隊合作，開展人腦視覺相關功能的研究。

參考資料：

1.Yu, Q., Bi, Z., Jiang, S., Yan, B., Chen, H., Wang, Y., ... & Zhang, J. (2022). Visual cortex encodes timing information in humans and mice. Neuron.

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