撰文：杨若霖、张申申　审核：王茜

　　2024年3月26日，美国斯坦福大学Josef Parvizi教授应北京大学IDG麦戈文脑科学研究所邀请，就大脑编码和解码信息的机制进行了精彩报告。本期学术笔记根据Josef Parvizi教授题为“How the Human Brain Encodes and Retrieves Information”的学术报告整理而成。

　　Parvizi教授介绍多个基于颅内脑电图（Intracranial Electroencepholography, iEEG）探索大脑如何编码和检索信息从而形成独特自我的研究。William James提出，大脑中存在通过形成记忆构建自我的 "Me" 网络和通过检索记忆表征自我实体的 "I" 网络（James, 2007）。其中，"Me" 网络处理与自我相关的情景记忆和语义记忆从而构建自我，这一网络因具有与其他网络和脑区的大量连接而胜任这一功能，这主要发生在大脑的默认网络（Default Mode Network, DMN）、边缘系统以及丘脑等皮层下结构（本次讲座中提及DMN指以上多个脑区）。Parvizi教授多年研究这一主题，此次讲座中则主要分享了通过iEEG研究 "Me" 网络的多项成果。

　　图1  大脑中的“I”和“me”网络（Lyu el., 2023）

　　一、DMN中顶叶脑区在任务态和静息态下均存在功能连接

　　Parvizi组2015年和2021年的两项研究中（Foster el., 2015, Norman el., 2021），在iEEG记录时使用电脑屏幕向患者随机呈现与情景记忆、语义记忆、自我评价、算术相关的文字（如“我昨天吃了水果”或“59+7=66”），要求患者在4000ms内判断真伪并按键回答是或否。此研究发现当患者检索语义记忆时，在海马记录到尖波涟漪，并在其他DMN脑区记录到与尖波涟漪同时发生的高伽马活动（High-gamma Activity, HGA）。而当患者检索情景记忆时，则在后顶叶（Posterior Cingulate Cortex, PPC）记录到显著高于基线的HGA。通过计算角回（Angular Gyrus, AG）和PPC的HGA的相关系数，进一步发现任务态的不同实验条件下AG与PPC均具有较强功能连接。此外，使用对静息态下HGA的包络进行滤波得到的低频段信号计算两个脑区活动的相关系数，发现静息态下AG与PPC也具有较强功能连接。           

　　图2 任务态与静息态下DMN相关脑区活动及功能连接（Foster et., 2015）

　　利用iEEG具有（1）可以同时记录任务态下多个脑区活动（2）所记录HGA与单神经元放电活动高度相关等优点，此研究通过iEEG记录任务态与静息态下多个脑区的活动，为DMN中的两个顶叶脑区间存在的功能连接提供了强有力的证据。

　　二、DMN中额叶脑区在自我评价时的神经活动

　　以上研究发现了在情境记忆与语义记忆检索时DMN中顶叶脑区的作用，而在进行自我评价时这些脑区没有显著的反应，而Parvizi组最新发表的研究（Iravani el., 2024）则发现自我评价时主要在额叶脑区中记录到神经反应。使用与前述研究相似的实验范式，Parvizi组发现患者进行自我评价时在腹内侧前额叶皮层（Ventral Medial Prefrontal Cortex, vmPFC）和眶额回（Orbitofrontal Cortex, OFC）记录到显著高于基线的HGA。更有意思的是，在vmPFC和OFC均发现积极自我评价（如对“I’m a terrible person.”回答“否”的试次，或对“I’m a good person.”回答“是”的试次）条件下记录到的HGA比消极自我评价条件下更高。研究中同时记录了部分患者的贝克抑郁评分，通过比较神经活动和抑郁评分发现，积极自我评价时vmPFC和OFC的HGA越低则抑郁评分越高，而消极自我评价时这两个脑区的HGA与抑郁评分无显著相关。这一研究记录到抑郁评分更高的患者在积极自我评价时大脑中特定神经元群体活动表现为病理性降低，从而为抑郁症的可能病理机制提供了重要证据，也显示了iEEG研究独特而重要的作用。

　　三、涉及DMN相关脑区和丘脑的功能环路

　　Parvizi组另一项最新研究（Stieger el., 2023）探索了DMN相关多个脑区间的功能连接如何形成功能环路。此研究分析了Papez环路中的皮层及皮层下脑区，包括海马（Hippocampus, HPC）、后内侧皮层（Posteromedial Cortex, PMC）、OFC、前部丘脑（Anterior Thalamus, ANT），的iEEG信号。此研究使用与前述研究相似的文字材料，但采用了根据不同刺激呈现方式划分的“同时”（同时呈现完整句子）和“序列”（顺序呈现句子的片段）两个不同实验任务。研究结果显示，在同时呈现完整句子（如“Yesterday I had a beer”）以及序列呈现的末尾部分出现（如“beer”）时，在四个脑区均记录到情景记忆检索而引发的神经活动。接下来，通过分析神经活动中高频（High Frequency, HF）信号、低频（Low Frequency, LF）信号和锁相信号（Intersite Phase Coherence, ISPC）的反应延迟期，发现在情景记忆检索时最早发生的是海马和丘脑的LF活动增加并触发四个脑区在低频的ISPC，之后丘脑的HF活动增加且早于其他三个区域的HF活动增加。此外，通过颅内直接电刺激并计算多脑区间的电刺激诱发ISPC和HGA的相关性来衡量脑区间的有向连接，发现电刺激海马时会诱发其余三个脑区的锁时反应，而丘脑则在电刺激其余三个脑区时均出现诱电位。利用iEEG（1）能够进行直接电刺激并同时记录多个脑区活动（2）具有毫秒级的高时间分辨率的优点，此研究通过反应延迟期分析和电刺激诱发反应计算的有向连接，表明在记忆检索过程中海马具有全局同步调节作用，而丘脑则扮演全局门控的角色。然而，大脑的哪些其他区域能够激活丘脑并诱发这一级联过程依然有待深入研究。

　　图3 情景记忆检索任务中感兴趣脑区的反应延迟期（Stieger el., 2023）

　　四、皮层下结构的重要作用

　　Parvizi教授还分享了关于皮层下结构在认知过程中起到关键作用的观点（Parvizi, 2009）。传统上，大脑皮层被认为在认知和行为调节等大脑 “高级”功能中扮演着最重要的角色，而皮层下结构则被认为在这些功能中处于从属地位或不发挥作用。对皮质下结构的不了解使得学界形成了“皮质为中心”这一不完善的观点，但皮质下结构尤其是丘脑，因具有（1）解剖位置与皮质多个脑区相邻（2）与皮质存在大量连接等特性，很可能在大脑功能中起到重要作用。

　　图4 大脑皮层和皮层下结构关系示意图（Parvizi, 2009）

　　五、局部场电位中非周期信号的启发

　　最后，Parvizi教授分享了关于局部场电位（Local Field Potential, LFP）中非周期信号具有重要性的观点。LFP记录到的电场转移是很难通过分析单一频段功率的变化来捕捉的，Parvizi教授提出可以使用指数函数对LFP信号频谱进行拟合并计算其变化量，从而通过这种非周期性信号来更准确的衡量不同认知过程中LFP的改变。

　　总结

　　Paivizi教授向我们介绍了跨空间分布脑区的同步颅内电生理记录为了解人类环路水平神经动态提供的精确视角，而颅内直接电刺激则为人类大脑研究提供了独特的因果信息，这些研究手段对于人脑记忆编码和检索机制的探索具有重要意义。

　　参考文献

　　[1] James, W. (2007). The principles of psychology (Vol. 1). Cosimo, Inc..

　　[2] Lyu, D., Stieger, J. R., Xin, C., Ma, E., Lusk, Z., Aparicio, M. K., ... & Parvizi, J. (2023). Causal evidence for the processing of bodily self in the anterior precuneus. Neuron, 111(16), 2502-2512.

　　[3] Foster, B. L., Rangarajan, V., Shirer, W. R., & Parvizi, J. (2015). Intrinsic and task-dependent coupling of neuronal population activity in human parietal cortex. Neuron, 86(2), 578-590.

　　[4] Norman, Y., Raccah, O., Liu, S., Parvizi, J., & Malach, R. (2021). Hippocampal ripples and their coordinated dialogue with the default mode network during recent and remote recollection. Neuron, 109(17), 2767-2780.

　　[5] Iravani, B., Kaboodvand, N., Stieger, J. R., Liang, E. Y., Lusk, Z., Fransson, P., ... & Parvizi, J. (2024). Intracranial recordings of the human orbitofrontal cortical activity during self-referential episodic and valenced self-judgments. Journal of Neuroscience.

　　[6] Stieger, J., Pinheiro-Chagas, P., Fang, Y., Lusk, Z., Perry, C., Wagner, A. D., ... & Parvizi, J. (2023). Cross regional coordination of neural activity in the human brain during autobiographical self-referential processing. bioRxiv, 2023-06.

　　[7] Parvizi, J. (2009). Corticocentric myopia: old bias in new cognitive sciences. Trends in cognitive sciences, 13(8), 354-359.