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研究潜在的个体差异的神经机制

印度哈里亚纳邦国家大脑研究中心的研究人员最近进行了一项研究,探讨了可能是不同人对多感觉刺激的理解方式不同的神经机制。他们的论文发表在《欧洲神经科学杂志》上,介绍了一种生物物理模型,该模型可以将不同个体的结构和脑功能变异与他们在感知相关任务中的表现联系起来。

进行这项研究的研究人员之一Arpan Banerjee告诉MedicalXpress:“我们的实验室研究了感知和行动过程中大规模功能性大脑网络中运作的神经机制。” “这是从研究孤岛的大脑区域,在涉及认知的特定任务中可操作的修正主义观点。”

过去研究人类多感官能力的研究确定了许多与刺激过程有关的大脑区域。然而,这些领域之间如何真正实现沟通仍然是一个悬而未决的问题,目前全球数个研究团队正在对此进行探讨。

这个问题的一个具体方面仍然难以捉摸,那就是这些大脑区域之间是否发生某种特定的大脑节律交流,这在常见的错觉和罕见的觉知者之间会有所不同,这种错觉被称为McGurk效应。当人们暴露于声音以及与不同声音相关的视觉刺激时,就会发生McGurk效应,这可能导致他们对所听到声音的感知不稳定。人们被这种幻象“欺骗”的程度可能会有所不同,但这种知觉变异性背后的神经机制尚不完全清楚。

Banerjee说:“这项研究的目的是确定一个指标(神经标记),该指标可以捕获这项任务的个体差异,并使用现实的大脑动力学计算机模拟方法对该标记进行解释。”

使用数学函数(例如傅立叶变换)的信号处理已在过去的脑电图(EEG)研究中广泛使用。事实证明,这些技术对于识别特定于大脑特定区域的节律或捕获两个大脑区域相互交流的频率特别有用。

Banerjee说:“ EEG技术有一个局限性,即它们可以间接测量头皮水平在大脑皮层和头部外部发生的活动。” “因此,需要先进的算法来发现源信号,这还需要将数据与使用MRI技术捕获的结构性脑图对齐。我们假设由斯科特·凯索(Scott Kelso),史蒂夫·布雷斯勒(Steve Bressler)和吉多·诺尔特(Guido Nolte)领导的研究小组开创了像全球一致性这样的指标,对于跟踪大型大脑网络之间的协调动态很有用。”

Banerjee和他的同事基于大规模大脑网络的真实模拟,使用高级算法来预测不同大脑区域之间发生的通信的源级别指标。最后,他们使用一种称为动态皮层来源成像(DICS)的方法,通过根植于放射线镜检查的波束形成技术,根植于从患有这些错觉的人那里收集的脑电图数据,从而确定了参与McGurk幻觉感知的大脑区域的源级激活。 )。

该程序使他们可以直接从原始EEG数据计算源级网络度量,然后将神经质量模型预测与大脑协调动力学的经验证据进行比较。最终,研究人员发现,参与者对McGurk幻觉的敏感性与神经活动的特定模式(即他们的α波段全局连贯性)呈负相关。

Banerjee说:“通过质量模型进行预测并通过源度量进行验证的这种方法是本研究中使用的一种新颖工具,至少在我们所知的范围内从未应用过。” “因此,除了在经验方面确定稀有感知者的总体阿尔法一致性外,我们的工作还引入了方法论领域的创新。”

Banerjee和他的同事们介绍的新的生物物理模型描述了一系列神经团和这些团块之间的功能耦合模式,这些团块引起了大规模的大脑网络动态,而同时个体正在感知不同种类的感觉刺激(例如听觉和听觉)。视觉)。这些神经团捕获了听觉,视觉和多感觉刺激过程中涉及的初级大脑区域的平均活动。

进行这项研究的研究人员之一Dipanjan Roy表示:“很简单地说,通过对动物和解剖学研究的经验证据进行核对,可以区分出各个大脑区域的处理速度。” “这项工作中模拟的特定功能耦合及其组合是基于现实的视听(AV),听觉多感官(AM)和视觉多感官(VM)大脑区域的,它们可以在跨模态感知过程中重现相干动力学的全局变化。 。”

研究人员设计的模型做出了许多预测。最重要的是,McGurk幻觉的罕见感知者(即那些较不易感的幻觉者)呈现出比频繁感知者更高的直接听觉-视觉耦合。后来,Banerjee,Roy及其同事使用的源连接图也证实了这一预测。

“我们的研究为跨模态感知方面的科学文献做出了重大贡献,因为以前在定义早期感觉和更高阶认知区域之间的大规模脑网络动力学如何引起感知及其在各种方面的变异性方面还很难以捉摸跨参与者的多感官感知处理,”罗伊说。“这一发现当然不仅限于视听处理,而且很自然地为其他多感官领域铺平了道路,例如具有触摸,嗅觉,自我运动和品味的视觉和声音。”

过去的研究发现,特定脑节律的异常同步模式可能部分导致老年人或受多种精神障碍(包括自闭症,精神分裂症和阿尔茨海默氏病)影响的人的多感觉缺陷。然而,到目前为止,研究人员还无法清楚地描绘出与多感觉处理相关的大脑频带内引起相干性和去相干性的动力学机制。

Banerjee和Roy以及他们的研究生G. Vinodh Kumar和Shrey Dutta收集了新的有价值的见解,这些见解可以阐明这些机制,从而拓宽了目前对支持个体感知差异的神经机制的理解。首先,研究人员发现,与那些感知不到McGurk幻觉的人相比,α频段的整体相干性得到了增强。

罗伊说:“使用神经质量模型,我们还预测到,高度直接的视听功能连接对于维持稀有感知者的高α全局一致性至关重要。” “最后,通过使用源级网络分析,我们验证了模型的预测,即在听觉区域(左颞颞上回STG)和视觉区域(枕骨中上皮,MOC和枕骨上皮,SOC)之间的源级一致性确实更高。麦格克错觉的罕见感知者。”

该研究人员团队最近进行的研究最终可以拓宽当前对人脑如何整合不同类型的感觉刺激并同时对其进行处理的理解。将来,Banerjee,Roy及其同事引入的方法和模型可用于研究其他形式的多感觉处理或多个大脑区域相互作用或协同工作的实例,例如涉及情感和判断力的区域。在他们的下一个研究中,研究人员还想探索带有有意义的自发性脑节律特征的刺激前脑状态如何在有人受到特定刺激后改变大脑活动。

Roy和Banerjee表示:“目前,我们发现相干性降低(即不相干性)的概念是视听集成的重要标志。” “但是,未来的脑成像研究可以研究去相干性是否是一种通用的度量标准,可以捕获神经集成体与环境输入之间的相互作用的有效程度。例如,在自闭症人群和学习障碍者中,自发动态中存在的相干性可以实现较高的稳定性,因此很难干扰去同步以实现有效的信息处理。识别出这种机制可以为开发新的恢复途径提供信息。”

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