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预期眼动任务中反应时呈双峰分布的神经环路模型

章梦娅 雷力行 杨俊忠 王大辉

章梦娅, 雷力行, 杨俊忠, 王大辉. 预期眼动任务中反应时呈双峰分布的神经环路模型[J]. 北京师范大学学报(自然科学版), 2023, 59(5): 769-775. doi: 10.12202/j.0476-0301.2023155
引用本文: 章梦娅, 雷力行, 杨俊忠, 王大辉. 预期眼动任务中反应时呈双峰分布的神经环路模型[J]. 北京师范大学学报(自然科学版), 2023, 59(5): 769-775. doi: 10.12202/j.0476-0301.2023155
ZHANG Mengya, LEI Lixing, YANG Junzhong, WANG Dahui. A parallel neural circuit model for bimodal distribution of reaction time in a predictive saccade task[J]. Journal of Beijing Normal University(Natural Science), 2023, 59(5): 769-775. doi: 10.12202/j.0476-0301.2023155
Citation: ZHANG Mengya, LEI Lixing, YANG Junzhong, WANG Dahui. A parallel neural circuit model for bimodal distribution of reaction time in a predictive saccade task[J]. Journal of Beijing Normal University(Natural Science), 2023, 59(5): 769-775. doi: 10.12202/j.0476-0301.2023155

预期眼动任务中反应时呈双峰分布的神经环路模型

doi: 10.12202/j.0476-0301.2023155
基金项目: 国家自然科学基金资助项目(32171094);国家重点科技研发计划资助项目(019YFA0709503)
详细信息
    通讯作者:

    雷力行,博士后. 研究方向:计算神经科学. E-mail:leilixing@bnu.edu.cn

  • 中图分类号: Q189

A parallel neural circuit model for bimodal distribution of reaction time in a predictive saccade task

  • 摘要: 在执行精确时间内产生预期眼动的任务时,猕猴的反应时间呈现双峰分布.对这一现象,本文设计了包含大脑皮层的顶内沟外侧区(lateral intraparietal area ,LIP)和辅助眼区(supplementary eye fields,SEF)、基底节(basal ganglia,BG)与上丘脑(superior colliculus,SC)在内的并行神经环路模型,通过计算模拟复现出双峰分布.本文探究了该分布的神经机制,发现SEF和LIP神经元群体之间的竞争过程导致了2个峰的出现,并且SEF脑区主要负责预期性眼动,主导了第1个峰的出现,LIP脑区主要负责由视觉刺激引发的反应性眼动,主导了第2个峰的出现.本文进一步地讨论了影响双峰分布形态的关键参数,从计算神经科学的角度探索了时间预期执行的过程.

     

  • 图  1  并行神经回路模型(a)与模拟实验流程(b)

    a. 彩色实心圆代表神经元群体;橙色表示兴奋性神经元(E),蓝色为抑制性神经元(Ⅰ);带有箭头的线段表示神经元的突触投射与投射的起始、终点所在;线段的颜色与箭头形状表明突触的性质,红色、三角形为兴奋性,蓝色、圆形为抑制性;神经元群体之间或之内的连接方式皆为全连接.b. 0~1 000 ms,神经元群体始终接收背景噪声;250~260 ms,SEF的E神经元接收编码了cue的神经输入input Ⅰ;而在0~600 ms中,LIP的Ⅰ神经元始终接收编码注视点信息的神经输入input Ⅱ;在600 ms处撤销input Ⅱ以模拟撤去注视点,系统继续演化至1 000 ms.

    图  2  模型模拟和实验观察得到眼动反应时间的分布

    a. 蓝色直方图表示由所有模拟轮次统计所得到的眼动反应时间分布:黑色实线所围面积表示在所有模拟轮次中由SEF区域兴奋性神经元引发眼动的占比,黑色点虚线所围面积表示由LIP区域兴奋性神经元群体引发眼动的占比,灰色虚线为注视点撤去时刻(0 ms),黑色实线与点虚线皆经过光滑处理;a1与a2的参数差异如表1所示.b. 由韩志会等用猕猴所做实验结果[9] 修改所得:b1与b2分别来自2只不同猕猴的实验数据.

    图  3  模型引起眼动时各区域内神经元群体活动情况

    a1~a3. 由SEF兴奋性神经元(SEFE)首先到达放电阈值,引起眼动;b1~b3. 由LIP的兴奋性神经元(LIPE)抑制SEFE后到达放电阈值引起眼动;c1~c3,由LIPE首先达到放电阈值引发眼动.所有子图的横坐标为模拟时间,单位为ms,坐标零点对齐至撤去注视点的600 ms处;纵坐标为放电频率,单位为Hz.图3编号为1的第1行子图中,黑、绿、红线依次表示SEFE神经元、SEF内第2群抑制性神经元(SEFⅡ)和LIPE神经元的放电活动;第2行子图中,黑、红、绿线依次表示BG内CDⅠ神经元,CDⅡ神经元和SNr神经元的放电活动;第3行子图中,黑、红线依次表示SC的兴奋性神经元(SCE)和抑制性神经元(SCI).图3中各参数与图2-a1中一致.

    图  4  LIP兴奋性神经元对SEF区域抑制性神经元Ⅱ的AMPA投射对双峰分布的影响

    表  1  图2-a1与图2-a2中电导G区别

    突触连接最大
    电导名称
    图2-a1中
    G/nS
    图2-a2中
    G/nS
    $ {G}_{{\rm{Sef{\text{Ⅱ}}2Sef}}{\text{Ⅱ}}}^{{\rm{GABAb}}} $ 0.110 0.250
    $ {G}_{{\rm{LipE2Sef}}\text{Ⅱ}}^{{\rm{AMPA}}} $ 0.135 0.300
    $ {G}_{{\rm{LipE2LipE}}}^{{\rm{AMPA}}} $ 0.050 0.030
    $ {G}_{{\rm{LipE2LipE}}}^{{\rm{NMDA}}} $ 0.170 0.200
    $ {G}_{{\rm{ext,AMPA}}}^{{\rm{MT2LipI}}} $ 4.200 6.200
    $ {G}_{{\rm{LipE2CD}}\text{Ⅱ}}^{{\rm{AMPA}}} $ 0.075 0.140
    $ {G}_{{\rm{LipE2ScE}}}^{{\rm{AMPA}}} $ 0.500 1.000
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出版历程
  • 收稿日期:  2023-05-25
  • 网络出版日期:  2023-09-21
  • 刊出日期:  2023-10-31

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