基于同步分析的视觉神经元朝向选择性研究

李朝辉，董增新，邵宁宁

(1. 燕山大学 信息科学与工程学院，河北 秦皇岛 066004； 2.河北省信息传输与信号处理重点实验室，河北 秦皇岛 066004)

0 引言

朝向选择性是初级视皮层的特性，表现为视皮层神经元对刺激方向的敏感反应。视觉神经元容易受到外界刺激的影响。有关神经元或神经元集群编码感受野的刺激特征，而被神经元编码处理后的视觉神经信息成为相关神经组织处理信息的重要依据[1]。LFP是神经元信号中重要的组成成分，是区域神经元群放电活动的低频部分，其中的Gamma频段与视觉信息处理过程关系密切。研究表明，Gamma频段LFP同步会影响神经元的放电活动从而改变神经元的朝向选择性[2]，不同朝向的光栅对V1区Gamma频段LFP的能量有调制作用[3]，猫初级视觉皮层中神经元的Gamma频段LFP的低频(30～40 Hz)和高频(60～80 Hz)对朝向选择性分别有着不同的影响[4]。因此，Gamma频段LFP的研究对于深入了解神经元形成朝向选择性的机制具有重要意义。

视觉神经元群间的协同作用构建了视觉皮层处理信息的基本单元[5]，而脑区间的信号同步可以反映这种协同关系。研究表明，在脑区间的同步研究中，一致性算法可计算脑区间信号的频域同步程度，可以较好地用于探索脑区间的沟通方式[6-7]。相位作为信号的基本要素，拥有较为重要的神经编码信息。锁相值可以体现信号相位间的变化，探索脑区间的功能性连接，已经用于探索治疗癫痫[8-9]和帕金森[10]等疾病。

一致性和锁相值都是用于探索脑区间功能链接的主要分析方式，而对于具有高度相似功能的脑区内的同步分析较少，有研究指出多通道的脑电信号同步分析方式可以较为准确地反映脑功能区域的同步程度[11]。因此本文通过一致性和锁相值分别与相关矩阵相结合的方式来度量V1区和V4区内的整体同步，并首次将其与99%的高对比度的正弦光栅的朝向构建联系，旨在探索神经元朝向选择性研究的新方式。

1 材料与方法

1.1 实验过程

将两只雄性成年恒河猴作为实验对象，并且相关实验得到了北京师范大学实验动物管理和使用委员会的批准。实验开始前，使用氯胺酮(10 mg/kg)和异氟醚(1.5%)对动物进行全身麻醉，并将动物的头部加以固定，以便于进行实验前的注视训练。在实验过程中，将一个6×8的多电极阵列分别植入猴子视皮层区域(V1区和V4区)，使用128通道的Cerebus神经电生理信号记录系统记录神经刺激信号，采样频率为10 kHz，工频为50 Hz。由视觉刺激系统进行视觉刺激，并且用阴极射线显像管进行实验观察，实验对象的观看距离为100 cm。视觉刺激内容为不同朝向的正弦光栅，光栅空间频率为2 周/度，时间频率为4 Hz，在一个直径为4°视角的圆形区域内显示。正弦光栅的角度在0°到360°之间，步长22.5°，每次光栅刺激持续2 s，间隔为200 ms，光栅对比度为99%，各个朝向重复实验30次，刺激呈现过程如图1所示。

图1 刺激呈现的过程Fig.1 The process of stimulation presentation

1.2 实验数据预处理

为了获得Gamma频段的LFP信号，本文使用EEGLAB工具箱中的零相移数字滤波器对实验记录的原始信号进行30～80 Hz的带通滤波，并将得到的Gamma频段LFP信号用于以下所有分析中。

1.3 一致性

V1区Gamma频段LFP与V4区Gamma频段LFP在指定频段上的同步由一致性度量，该方法是在频域上量化两个信号间的线性相关性[12]。它已经被用于量化脑半球内和半球间的功能关系[13]。对于V1区Gamma频段LFP信号x和V4区Gamma频段LFP信号y，一致性算法的公式为

(1)

其中，Cxy(ω)为两种信号的互谱密度，Cxx(ω)和Cyy(ω)分别为x和y的自谱密度。Yxy(ω)的取值在0～1之间，当取值为0时，x和y不同步；当取值为1时，x和y完全同步。为获得更鲁棒的同步估计，首先将2 s的数据分为1 s长的信号段，然后50%交叠，得到三段数据，最后计算所有分段数据的均值。而两段信号在特定频段一致性估计的公式为

(2)

其中，S为该频段上的频率个数。Txy的值在0～1之间，表示两段信号在特定频段上的同步程度。

1.4 锁相值

V1区Gamma频段LFP与V4区Gamma频段LFP在时域范围内的同步由锁相值度量，其公式定义为[14]

(3)

其中，M为数据长度，φi为两个信号间的相位差。锁相值取值范围为0～1，反映两个信号的相位波动情况。若两个信号的瞬时相位差值小，VPLV接近1，两个信号的相位完全同步；若两个信号的瞬时相位差值大，VPLV接近0，两个信号的相位完全不同步。

1.5 全局同步指数

多通道脑电信号的同步研究可以帮助人们认识到大脑皮层不同区域之间相互协作的机制，并深入探索大脑部位不同区域之间进行信息的组合、调制和传输的原理[15]。因此本文将一致性和锁相值分别与相关矩阵结合，并构造全局性同步指数来度量V1区(或V4区)所有通道间的全局性频域同步和全局性相位同步。其中，全局性频域同步的具体计算方式为：

首先，在一致性算法的基础上计算V1区和V4区48个电极之间的一致性值，构建48×48的相关矩阵D，并对相关矩阵D的特征值分解。各特征值降序排列且满足λ1≤λ2≤λ3…≤λM；若V1区(或V4区)所有通道间的Gamma频段LFP都是线性相关的，则相关矩阵中的每一个元素都为1，其最大特征值是M。若各通道间的Gamma频段LFP完全无关，则相关矩阵D为一个单位矩阵，其最大特征值为1。这些特征值反映了多通道脑电信号的相关性[16]。

为获得独立于V1区(或V4区)Gamma频段LFP同步的归一化值，随机化V1区(或V4区)Gamma频段LFP的组合来计算替代相关矩阵R，λ1’≥λ2’≥λ3’…≥λM’并获得替代相关矩阵R的特征值，重复这个随机化过程并计算100次，得到最大特征值的均值和标准差，分别表示为λp和σ。

最终通过下式获得全局性频域同步指数：

(4)

其中，λk为相关矩阵D的最大特征值。全局性相位同步采用的是和全局性频域同步相同的计算方式，其不同点是将相关矩阵D中的一致性值换成了锁相值。

2 结果

2.1 V1与V4区间的频域同步和时域同步

脑电信号的同步是不同脑区间进行信息传递和相互协调而表现出的一种生理现象，其在不同脑区之间普遍存在。对不同脑区间脑电信号的同步研究，有助于探究不同脑区间信息传递的原理和掌握神经性疾病(痴呆症、轻度认知障碍等)的发病机理[17]。本文使用一致性和锁相值来探索V1和V4区Gamma频段LFP间的同步程度与不同朝向的视觉刺激特征的联系，以揭示视觉神经编码与脑区同步的内在规律。有研究指出在光栅朝向相差90°时，受光栅刺激的神经元特性发生明显的变化[18]。因此本文以Monkey G为例，计算出V1和V4区48个电极之间的一致性值和锁相值在135°和225°时的分布，并将其绘制在图2中。

如图2所示，无论是在135°朝向还是在225°朝向，一致性值和锁相值在V1区与V4区所有通道之间都有分布，这说明其在V1区与V4区各个区域之间广泛存在。从图2(a)和图2(c)中可以看出，大部分的一致性值和锁相值较小，说明在135°朝向上，V1区与V4区大部分区域间的频域同步和相位同步程度较低。从图2(b)和图2(d)中可以看出，大部分的一致性值和锁相值较大，说明在225°朝向上，V1区与V4区之间的频域同步与相位同步程度较高。

图2 Monkey G的一致性值和锁相值在V1与V4间的分布Fig.2 The distributions of coherence and phase locking value of Monkey G between V1 and V4

从图2中可以看出，单纯计算V1区与V4区的同步矩阵中主对角线上的数据不足以说明V1区与V4区之间真实的同步情况。为了更准确地反映V1区与V4区之间的频域同步和相位同步与光栅朝向之间的内在规律，本文计算出30次实验中V1区与V4区之间所有通道的一致性值和锁相值，然后求取这些数据的平均值以及标准偏差，最后将结果绘制在图3中。

图3 一致性值和锁相值的朝向调谐曲线Fig.3 The orientation tuning curves of coherence and phase locking value

从图3中可以看出，一致性值随着光栅朝向的变化而发生规律性的波动。当光栅朝向在135°时，一致性值和锁相值最小；当光栅朝向在225°时，一致性值和锁相值最大。这说明V1区与V4区之间的频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。同时观察到朝向调谐曲线的相对变化，非偏好朝向上的值与偏好朝向上的值差别明显，进而可知，一致性值和锁相值与光栅朝向之间存在较强的相关性。同时，比较同一恒河猴的一致性值和锁相值发现，在相同朝向上，锁相值要普遍大于一致性值，但是观察二者在各个朝向上的标准偏差可以发现，一致性值在各个朝向上的波动更加稳定。

2.2 V1区与V4区内的同步

神经元作为视觉信息处理的基本单元，在皮层的各部分之间均存在着交互联系，形成多层次的特异性通路和分布广泛的非特异性网络[18]。通过信号采集系统记录的头皮脑电信号反映的是神经网络中的各个部分在该区域神经活动的叠加，而出现这种复杂的神经网络结构的原因是由于神经网络的各部分之间存在局部和长距离的神经纤维组成复杂的耦联[19]。

根据上述研究理论，V1区和V4区内各个通道的神经信号之间都可能存在同步关系。为了更直观地表达V1区和V4区内各个通道神经信号间的同步程度，本文以Monkey G为例，计算135°和225°朝向上的V1区和V4区内各个通道Gamma频段LFP间的频域同步和相位同步，并将所有通道之间的结果分别绘制在图4和图5中。

图4 Monkey G一致性值在V1区和V4区内的分布Fig.4 The distributions of coherence of Monkey G in V1 and V4

从图4和图5中可以看出，V1区和V4区内各个通道之间都存在着频域同步关系和相位同步关系，说明Gamma频段LFP间的频域同步和相位同步在V1区和V4区内的各个区域之间广泛存在。在图4(a)、图4(c)、图5(a)和图5(c)中，当光栅朝向在135°时，V1区和V4区内各个通道之间的同步关系较弱。在图4(b)、图4(d)、图5(b)和图5(d)中，当光栅朝向在225°时，V1区和V4区内各个通道之间的同步关系较强，这说明V1区和V4区内的频域同步和相位同步对不同朝向的光栅刺激敏感。另外，通过比较图4和图5还可以发现，在相同朝向上，无论是V1区内还是V4区内，一致性值的分布和锁相值的分布都存在着差异。这意味着脑区内各通道间的频域同步和相位同步在探索脑区功能的过程中发挥着不同的作用。

为了更清晰地表达V1区与V4区内的全局性频域同步和全局性相位同步与光栅朝向之间的联系，本文首先计算出了30次实验的全局性频域同步和全局性相位同步值，然后计算了每个朝向上的标准偏差，最后所得结果如图6和表1所示。

图5 Monkey G锁相值在V1区和V4区内的分布Fig.5 The distributions of phase locking value of Monkey G in V1 and V4

在图6中，红色标记所在的曲线是全局性相位同步的朝向调谐曲线，黑色标记所在的曲线是全局性频域同步的朝向调谐曲线。由图6可知，全局性相位同步和全局性频域同步随着光栅朝向的变化而发生规律性的变化，显示出明显的朝向选择性，其在非偏好朝向(135°)上的值较小，在偏好朝向(225°)上的值较大。这说明V1区和V4区内所有通道间的频域同步和相位同步受到不同朝向光栅的调制作用而表现出趋于一致的规律性。另外，由图6亦可得，在相同的视觉神经区域中，全局性相位同步普遍大于全局性频域同步，这说明无论是在偏好朝向上还是非偏好朝向上，V1区和V4区内整体的相位同步强度要大于V1区和V4区内整体的频域同步强度。此外，在同一猕猴中，全局性相位同步的朝向调谐曲线在V1区和V4区之间的差异明显，而全局性频域同步的朝向调谐曲线在V1区和V4区之间的差别不明显。这说明相位同步受光栅的调制作用在V1区和V4区之间存在明显差异，而频域同步受光栅的调制作用在V1区和V4区之间无明显差异。

图6 全局性同步的朝向调谐曲线Fig.6 The orientation tuning curves of global synchronization

从表1中可以看出，在相同的朝向上，无论是全局性相位同步还是全局性频域同步，V1区的标准偏差普遍小于V4区的标准偏差，这说明V1区的全局性同步在各个朝向上的波动比V4区的全局性同步在各个朝向上的波动小，反映出全局性同步在V1区具有良好的稳定性。

2.3 朝向调谐指数

为了更好地说明以上所有方法在衡量朝向选择性方面的性能，本文引入朝向调谐指数的概念。其公式定义如下[20]：

(5)

其中，Pp为偏好朝向下的同步值，而Po为两个非偏好朝向下的同步值的平均值，即Po=(P1+P2)/2。朝向调谐指数越大，神经元对漂移光栅的朝向选择性越显著。

本文首先计算出了V1区与V4区以及V1区和V4区内所有通道间的30次实验数据的朝向调谐指数，然后将这些结果进行平均，并求取标准偏差，最后将得到的结果分别绘制在图7和图8中。

从图7中可以看出，无论是Monkey G还是Monkey H，一致性值的朝向调谐指数都大于锁相值的朝向调谐指数。这说明一致性值在偏好朝向和与偏好朝向正交的朝向之间的差别更大，对光栅刺激更敏感。综合而言，一致性值可以更好地反映脑区之间的同步变化，可作为研究猕猴视皮层V1与V4区神经元间朝向选择性的基础，同时也反映出频域同步在神经元跨区通信中起到了十分重要的作用。

从图8中可以看出，在V1区和V4区中，全局性相位同步的朝向调谐指数大于全局性频域同步的朝向调谐指数，这说明全局性相位同步指数对光栅的刺激较为敏感。另外，比较同一猕猴的朝向调谐指数发现，V1区的全局性相位同步和全局性频域的朝向调谐指数分别大于V4区的全局性相位同步和全局性频域的朝向调谐指数。这说明V1区的神经元比V4区的神经元对光栅的刺激敏感。综合而言，全局性相位同步可以更好地表征V1区和V4区内所有通道间的整体同步变化，可作为研究猕猴视皮层V1区和V4区内神经元间朝向选择性的基础，同时也反映出相位同步在具有高度相似功能的神经区域间(V1或V4)起到了十分重要的作用。

图8 全局性同步的朝向调谐指数Fig.8 The orientation tuning indices of the global synchronization

3 结论

本文利用一致性、锁相值、全局性频域同步和全局性相位同步用于V1区与V4区各通道间以及V1区和V4区内各通道间的同步分析，以构建不同朝向上V1区和V4区Gamma频段LFP的同步程度与视觉刺激特征之间的联系。结果显示：

V1区与V4区之间的同步以及V1区和V4区内的同步与光栅朝向之间存在较强的相关性，会随着光栅朝向的变化而变化，能够反映基本的视觉刺激特征，其在偏好朝向下的同步关系最强，在非偏好朝向下的同步关系较弱。通过比较其朝向调谐指数表明，一致性值相比锁相值可以更好地表征V1区与V4区之间的朝向选择性，而全局性相位同步比全局性频域同步可以更好地表征V1区和V4区内的朝向选择性。本文的研究结果不仅为脑区间的同步研究提供了比较有效的指导方向，还为神经元朝向选择性的研究奠定了基础。