近日,《Progress in Neurobiology》雜誌在線發表了中國科學院生物物理研究所腦與認知科學國家重點實驗室張朋課題組的最新研究成果: "Layer-dependent multiplicative effects of spatial attention on contrast responses in human early visual cortex"。在生物物理所腦成像磁共振平臺的支持下，張朋課題組在中國率先發展了基於超高磁場（7 Tesla）的高解析度功能磁共振成像（fMRI）技術，並應用於人腦認知科學研究。本研究通過亞毫米解析度的多模態分層fMRI 技術研究了注意如何通過前饋和反饋通路調節人類視皮層的對比度信息加工。研究結果表明，自上而下的空間注意主要通過反饋通路調製人腦視皮層表層和深層的對比度響應，表現為乘性增益；而注意對前饋輸入相關的V1中間層的調製較弱，表現為對比度敏感度提升。通過比較對大血管敏感的T2* BOLD（血氧水平依賴）信號和對毛細血管（更接近神經活動）敏感的T2 BOLD信號的注意調製效應，該研究從功能磁共振成像的原理上解釋了電生理信號和傳統T2* BOLD fMRI信號在注意調控機制上的長期分歧。研究說明了基於超高磁場的高解析度高特異性的功能磁共振技術對人腦認知科學研究的獨特性和重要性。
注意是人腦重要的高級認知功能，能夠有效分配大腦有限的認知資源，選擇性處理重要的信息。人類視覺注意相關的神經環路機制目前並不清楚。如下圖所示，注意可能通過三條神經通路調製視皮層的反應，包括皮層-皮層反饋，丘腦-皮層反饋，以及皮層下前饋通路。這三條通路分別調製視皮層表層和深層的神經活動（皮層-皮層反饋），表層的神經活動（丘腦-皮層反饋），或中間層的神經活動（前饋通路）。因此，通過分層功能磁共振方法可以對這些假設進行直接的驗證。
研究者首先使用亞毫米解析度（0.75mm各向同性）的GE-EPI序列採集了人類被試V1，V2和V3視覺區的T2* BOLD fMRI信號。通過等體積方法進行皮層深度計算，並通過空間線性回歸方法緩解部分容積效應，獲得了灰質表層，中間層和深層的對比度反應。結果發現注意對T2* BOLD對比度反應曲線的調製表現為加性效應。相比於皮層中間層，注意對於對比度反應的調製在初級視覺皮層V1的表層和深層更強，支持皮層-皮層反饋通路的注意調製假設；而次級視皮層V2和V3的注意效應主要發生在表層，支持丘腦-皮層反饋的假設。這些發現說明自上而下的空間注意主要通過下行的反饋通路調製視皮層表層和深層的神經活動。
為了進一步驗證實驗結果，研究者使用0.3mm層內超高解析度的b-SSFP (平衡穩態自由進動) 序列獲取了V1灰質不同深度的T2 BOLD fMRI信號。相比於T2* BOLD對大血管非特異性信號的高敏感性，T2 BOLD 對灰質毛細血管的氧血紅蛋白濃度更加敏感，因此更加接近神經活動。結果顯示注意對V1灰質的T2 BOLD信號調製主要表現為乘性增益，即在高對比度條件下注意效應更強，位於V1的表層和深層；而注意對低對比度反應的調製在中間層最強，表現為對比度敏感性提升。BOLD fMRI的生物物理模型（Davis model）的模擬結果表明相對於小血管T2 BOLD，大血管的T2* BOLD信號和神經活動之間有更強的非線性關係，使得注意的乘性增益表現為加性效應。
綜上，本研究利用7T多模態分層fMRI技術，揭示了人腦空間注意與前饋和反饋神經通路相關的調控機制，並且從功能磁共振成像的原理上解釋了電生理信號和傳統BOLD fMRI信號在注意調控機制上的長期分歧。該研究證明了超高場多模態高解析度功能磁共振技術在人腦認知科學研究中的獨特性和重要性。生物物理所研究生劉成文、郭樊華為論文的共同第一作者，張朋研究員是論文的通訊作者，何生研究員對認知實驗範式提出了重要的建設性意見，南加州大學的王炯炯教授對磁共振物理進行了指導。張紫豪博士是生物物理所7T磁共振平臺的管理員。錢晨燦博士在磁共振數據處理方面提供了技術支持。該研究得到了中國自然科學基金委員會和北京市科學技術委員會的項目資助。
文章連結: https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0301008220301520