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fMRI显示视皮层第4层的特异激活

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fMRI虽说是目前研究人类脑功能的空间分辨率最高的技术,但通常分辨率只是3mm×3mm×5mm,即几毫米的尺度。因此通常只能定位某一个脑区,而很难定位皮层上的某一层、或某一功能柱。最近发现一些小组试图用fMRI观察视皮层的特定一层的激活,感觉还是蛮有趣的。



上图是MRI图像得到的人类视皮层结构像。其中灰色的是灰质 (GM),即皮层,白色为白质 (WM),黑色为脑脊液 (CSF)。皮层分为六层,每层有不同种类的细胞,分别负责传入、传出或者水平联系。研究者让被试观察闪烁的棋盘格,同时计算沿皮层表面切线方向上的信号激活情况。结果如下图:



从左到右,分别是白质、灰质和脑脊液。可以看到,看到闪烁的棋盘格后,白质没有激活,灰质显示出了激活,而脑脊液中的激活最大。但脑脊液的激活是由于血管效应的影响,如果去除血管的影响,则脑脊液的激活就会降低。最有意思的结果是,在皮层的激活中,第4层产生了最高的激活。

从图中可以看到,整个皮层的厚度为2.25mm,而本研究中fMRI扫描的分辨率为0.75mm×0.75mm×0.75mm。看起来结果还不错。但想想整个第4层就是1个像素的宽度,这种分辨率在实际中应用可能还是很困难的。

文章中一个让我惊讶的结果是,由于血管效应的影响,使得脑脊液中的激活最大,甚至远远大于皮层第4层的激活。在通常fMRI的分辨率下,这些区域可能都混合在一个像素中,那得到的效应究竟是什么,鬼才知道...

Koopmans, P., Barth, M., & Norris, D. (2010). Layer-specific BOLD activation in human V1 Human Brain Mapping DOI: 10.1002/hbm.20936

电刺激前额叶皮层可以增加欺骗行为

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认知神经科学研究的一个热门问题就是欺骗和测谎的问题。功能磁共振的研究已经发现了在人在说谎时会显著激活前额叶皮层和前扣带回。一些实验室中的功能磁共振测谎研究报告的准确率能达到88%到99%。但是功能磁共振研究的局限是,只能得到相关的结果,即人在说谎的同时会前额叶皮层会激活。但解释可以是双向的,前额叶皮层既可能负责生成谎言,也可能是说谎后产生的内疚感造成的前额叶皮层的激活。要想得到因果推论,最好的办法是通过外部刺激激活或抑制某个大脑区域的活动,再观察刺激后被试的行为反应。

Cerebral Cortex这篇文章使用的是一种叫透颅直流电刺激 (Transcranial direct current stimulation, tDCS)的方法刺激大脑活动。电刺激的方法是比较简单的,头皮上接上电极,通上1mA左右微弱的直流电即可。电流刺激通过改变神经元发放频率来控制神经区域的活动。通常来说,正性电流会增加神经活动,而负性电流会抑制神经活动。



在实验中,实验者让被试扮演小偷的角色,在实验的房间中偷走20欧元,随后接受实验者的审问。审问的方法采用犯罪知识测验 (Guilty Knowledge Test, GKT)。测试的场景与很多国外影片中的场景类似。被试身上贴满了电极,同时回答一系列与犯罪有关的问题,被试只能进行“是”或“否”的回答。比如,“你偷的钱包是红色的么?”问题可能是真的,也可能是假的。如果是无辜者,他将不知道问题是否正确。如果被试在判断与犯罪相关问题时生理响应显著大于无关问题,则说明被试了解犯罪的情况。被试被告知如果能够欺骗审问者,被试将会得到所偷的20欧元。因此在实验中,被试会选择在某些问题上说谎,以达到欺骗审问者的目的。

被试的右侧前额叶连接了电极,电刺激可能是正性、负性或是没有电流的控制条件。结果发现只有在负性电刺激时,被试说谎的比率会升高。同时,负性电刺激后说谎的反应时会变快,皮肤电导并不增加,而负罪感也会降低。而正性电刺激后的行为反应与控制条件没有差别。前额叶皮层被认为是与社会情感判断有关。因为在实验情境中,被试遇到了利益与道德的权衡,因此使用负性电刺激抑制了前额叶皮层的兴奋,可能会损坏被试的情感判断,以致增加了反社会行为。

目前比较流行的刺激大脑活动的方法是透颅磁刺激 (Transcranial magnetic stimulation, TMS),…

Optogenetics

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去年10月份诺贝尔颁奖时,水滴曾经在讨论哪些脑科学的研究能得诺贝尔奖。我后来想,其实可以参考一下 Golden Brain Award 的结果。这个奖项我之前关注过,虽然不知道权威性如何,但得奖的都是大牛,比如Zeki, Desimone, Damasio, Treisman, Logothetis, Schultz, Friston, Dolan 和 Kanwisher,所以应该有些参考价值。



今年的 Golden Brain Award 奖颁给了斯坦福大学的 Karl Deisseroth。这个人我之前没听说过,仔细一看原来是他发明了现在火得不了的 Optogenetics (光遗传学)。传统的遗传学方法是通过改变某些基因,来看基因对神经活动和行为的影响。这类方法的时间分辨率很低。而光遗传学的方法可以通过光控制的通道或酶,从而可以通过激光控制某一类神经细胞的活动。比如,可以诱发活体动物脑中某一类细胞按照某一特定频率发放。2005年 Deisseroth 小组首次在技术上实现了用光控制神经活动,到现在就已经发表了近十篇 Nature, Science 的文章。

看起来这种方法对于干预大脑活动很有效,无论时间上还是空间上的分辨率都很高,应该是一个很有潜力的技术。