深圳子科生物報道:2019年8月5日，《美國科學院院刊》（Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America）在線刊發(fā)了北京大學心理與認知科學學院、麥戈文腦科學研究所、生命科學聯(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振蕩在視覺特征綁定過程中的關(guān)鍵作用，在揭示特征綁定的神經(jīng)機制方面取得了重要進展。 

我們的視覺系統(tǒng)在知覺外部世界的過程中，遵循著先分解，再組合的原則，即外部物體的視覺輸入信息首先會被分解成不同的特征，如形狀、顏色、運動等，這些特征會分別在不同的腦區(qū)進行加工，隨后被整合到一起，形成對物體統(tǒng)一的知覺。這一整合過程的神經(jīng)機制，被稱為特征的綁定問題(the binding problem)，是視覺科學乃至整個腦科學領(lǐng)域中令人費解的核心問題之一。 

“神經(jīng)振蕩假說”是對特征綁定問題的一種流行的解釋。研究者發(fā)現(xiàn)，單個神經(jīng)元傳遞的信息可能不僅僅是發(fā)放或者靜默這么簡單，在一段時間內(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，就可以觀測到神經(jīng)系統(tǒng)的活動呈現(xiàn)出周期性的振蕩模式，即神經(jīng)振蕩。“神經(jīng)振蕩假說”認為加工不同特征的神經(jīng)元會通過特定頻率的神經(jīng)振蕩來進行通信，比如加工同一物體不同特征的神經(jīng)元群都會在一個振蕩周期內(nèi)的特定相位發(fā)放。從而被上游神經(jīng)元探測，實現(xiàn)不同特征的整合綁定。 

以往的研究認為gamma振蕩，即30-60Hz的神經(jīng)振蕩可能在特征綁定的過程中起到重要作用。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距離腦區(qū)間的信息聯(lián)絡(luò)，如運動（在外側(cè)顳葉區(qū)域進行加工表征）和顏色（在枕葉腹側(cè)區(qū)域進行加工表征）特征的綁定。 

針對這一矛盾問題，方方教授課題組使用了一種罕見的顏色和運動錯誤綁定現(xiàn)象結(jié)合腦電記錄（EEG）對神經(jīng)振蕩在其綁定過程中的作用進行探討。這種刺激在呈現(xiàn)過程中，觀看的個體可能會在正確知覺和錯覺中交替切換，產(chǎn)生不同的顏色-運動方向綁定狀態(tài)，也反映了神經(jīng)系統(tǒng)在進行特征綁定過程的兩種不同編碼加工模式。通過比較兩種知覺狀態(tài)下神經(jīng)活動的不同，就可以一窺與特征綁定過程相關(guān)的重要神經(jīng)成分。研究發(fā)現(xiàn)在兩種不同的知覺狀態(tài)下，對應(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有表現(xiàn)出差異。進一步的分析發(fā)現(xiàn)，個體alpha振蕩的能量越高，正確知覺在實驗中所占的比例越高。個體在alpha振蕩的峰頻率越高，在兩種知覺狀態(tài)之間切換的頻率也越高。不同的振蕩屬性對應(yīng)著在特征綁定過程中表現(xiàn)出的不同行為模式，提示alpha振蕩與特征綁定過程的相關(guān)關(guān)系。 

為了進一步確認腦電實驗中所發(fā)現(xiàn)的alpha振蕩與特征綁定過程的關(guān)系，方方教授課題組選擇了經(jīng)顱交流電刺激（tACS）的方法，對個體的神經(jīng)振蕩模式進行調(diào)制。經(jīng)顱電刺激通過在受試者頭皮貼附電極，施加微量的交流電刺激，從而實現(xiàn)對神經(jīng)系統(tǒng)振蕩的調(diào)制。已有研究證明，通過施加與個體alpha振蕩峰頻率（IAF）相同的交流電刺激，能夠增強個體的alpha振蕩能量。在這一部分研究中，方方課題組發(fā)現(xiàn)當使用交流電刺激增強個體alpha振蕩能量時，受試會更多地產(chǎn)生正確綁定的知覺；而當施加與個體alpha振蕩峰值相同頻率（IAF）以及這一峰值對應(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-運動特征綁定過程中起到的因果性作用。這一研究系證明alpha振蕩在特征綁定過程當中起到的重要作用，為深入理解視覺特征綁定過程與神經(jīng)振蕩之間的關(guān)系提供了全新的視角。 

北京大學心理與認知科學學院的博士后張硯雨、生命科學聯(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。該研究由國家自然科學基金委、國家科技部、北京市科技委和北京大學-清華大學生命科學聯(lián)合中心資助完成。

原文標題：

The causal role of alpha oscillations in feature binding