摘要
视觉皮层神经元对视觉刺激反应的方位选择性（orientationselectivity）是物体朝向和形状的知觉辨别基础，其形成机制尚未阐明。自Hubel和Wiesel提出视觉皮层神经元感受野组构理论以来，不少学者认为初级视皮层（V1）神经元的方位选择性是由外侧膝状体前馈兴奋性输入信号逐级汇聚形成，也有实验证据表明皮层内抑制作用在V1皮层神经元反应的方位选择性形成中发挥重要作用。近期的研究发现，高级视觉皮层或高级脑区的反馈作用可能会调控V1皮层神经元对刺激反应的方位选择性，但不同学者报道的结果存在不一致，反馈作用的机制尚不明确，是否这种反馈作用与行为水平方位辨别知觉能力密切相关亦不清楚。为探讨以上问题，本研究采用非侵入式（noninvasive）且效应可逆（reversible）的经颅直流电刺激（transcranialdirectcurrentstimulation，tDCS）调控猫的高级视皮层7区的反馈作用，研究反馈作用抑制对V1皮层单细胞反应、多细胞反应和局部场电位反应的方位选择性影响以及对猫的方位辨别知觉能力的影响，取得的主要结果如下： （1）用在体细胞外单细胞记录技术记录了4只成年猫V1皮层多细胞（multi-units）在7区反馈作用变化前、后对不同方位光栅刺激的调谐反应。基于Matlab和Wave_clus工具包对在V1皮层记录的多细胞反应的动作电位进行了峰电位分类（spikesorting），发现V1皮层多细胞反应可分离出宽峰细胞（WS-unit）和普通峰细胞（NS-unit）两类单细胞反应以及难以分离的PI-unit反应单位。通过对不同类型细胞或反应单位对视觉刺激方位调谐反应曲线的双高斯方程拟合和极坐标分析发现，PI-unit反应单位相对于NS-unit和WS-unit具有最优的方位调谐反应和较强的方位选择性，且受高级视皮层7区的反馈作用影响最大，NS-unit对刺激反应的方位选择性受反馈作用的影响次之，而WS-unit反应的方位选择性受反馈作用的影响最小，表明7区反馈作用对V1皮层不同类型细胞反应的方位选择性影响具有一致性，但影响大小有差异。为进一步探究7区反馈作用影响V1皮层神经元对视觉刺激反应的方位选择性的机制，本研究直接比较了在7区实施tDCS前、后V1皮层多细胞对刺激方位的调谐反应特征，发现阴极（c）tDCS介导的7区反馈作用抑制主要引起V1皮层多细胞对视觉刺激的诱发反应特别是最大反应幅度降低，而自发反应没有显著性变化，结果导致V1皮层神经元反应的信-噪比降低和方位选择性减弱。 （2）结合staircase行为测试方法和细胞外单细胞记录技术检测了高级视皮层7区反馈作用被tDCS调控前、后猫对光栅方位辨别的敏感度及V1皮层神经元（多细胞）对不同方位光栅刺激反应的选择性。结果发现，7区的反馈作用受c-tDCS抑制后猫对光栅刺激辨别的方位差阈值显著增大，但在c-tDCS效应消失后又恢复至原来的阈值，在7区实施伪刺激（s）tDCS对猫的行为水平的方位辨别无明显影响。与行为辨别能力的变化一致，c-tDCS介导的7区反馈作用抑制使V1皮层多细胞对视觉刺激反应的方位选择性显著降低，且该效应在c-tDCS效应消失后可以恢复。进一步分析结果显示，在7区实施c-tDCS引起的V1神经元对视觉刺激反应的方位选择性减弱不是由于V1神经元对刺激反应的最优方位改变，也不是V1神经元自发反应的变化，而是由于V1神经元对视觉的诱发反应特别是最大诱发反应显著下降，导致V1皮层神经元对不同刺激方位反应的选择性强度减弱和反应的信-噪比降低。这些结果表明，7区反馈作用可能通过增强V1皮层神经元的诱发反应及反应的方位选择性来提高行为水平的方位辨别能力。 （3）通过tDCS调控高级视皮层7区的反馈作用，在tDCS前、后记录V1皮层不同位点内的局部场电位（LFP）对不同视觉刺激方位的调谐反应，分析7区反馈作用对V1皮层不同频段神经振荡以及低频与高频振荡的相位-振幅耦合对视觉刺激反应的方位选择性影响。结果发现，由c-tDCS介导的7区反馈作用抑制对V1皮层场电位各频段神经振荡的自发反应强度（power）没有显著性改变，而使各频段神经振荡对不同方位视觉刺激的诱发反应强度特别是对最优方位的最大反应强度显著降低，导致V1皮层场电位各频段对视觉刺激反应的信噪比显著下降和方位选择性减弱，其中低频神经振荡（如Delta、Theta和Alpha）特别是Theta振荡对视觉刺激反应的方位选择性下降幅度较大（Theta振荡下降31.85%），而高频段Gamma特别是High-Gamma振荡（下降23.77%）受影响较小。进一步分析7区反馈作用抑制前、后V1皮层Theta与Gamma振荡的相位-振幅耦合对视觉刺激方位的调谐反应发现，反馈作用抑制引起Theta-Gamma相位-振幅耦合强度（MI）特别是对最优方位的最大耦合强度显著下降，而自发耦合强度没有显著性改变，结果导致耦合的信噪比下降和方位选择性显著降低（下降31.2%）。该研究结果提示，高级视皮层7区的反馈作用可能主要影响V1皮层的低频神经振荡特别是Theta振荡，并通过Theta相位调制高频Gamma振荡幅度来影响V1皮层的神经活动及对视觉刺激反应的方位选择性。 综合以上研究结果，本研究得出如下结论： （1）高级视皮层7区反馈作用能增强V1皮层不同类型细胞对视觉刺激反应的方位选择性，尽管对不同类型细胞的影响程度存在差异；高级视皮层7区反馈作用能增强V1皮层多细胞对视觉刺激的诱发反应特别是对最优方位的最大诱发反应，而对自发反应无显著影响，导致V1皮层神经元对视觉刺激反应的信-噪比升高及方位选择性增强； （2）高级视皮层7区可能通过反馈作用调控V1皮层神经元对视觉刺激反应的方位选择性，从而调控行为水平对视觉刺激方位的辨别能力； （3）高级视皮层7区反馈作用可能主要影响V1皮层的低频神经振荡特别是Theta振荡，并通过Theta相位调制高频Gamma振荡幅度来调控初级视皮层的神经活动及神经元对视觉刺激反应的方位选择性。
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