丘腦參與不同空間定位坐標系之間的信息整合*

王　靜，朱　磊，潘玉君

(1.重慶醫(yī)科大學附屬第二醫(yī)院呼吸內(nèi)科　400010；2.河南省漯河市中心醫(yī)院神經(jīng)內(nèi)科　462000；3.哈爾濱醫(yī)科大學附屬第一醫(yī)院神經(jīng)內(nèi)科，哈爾濱 150001)

?

論著·臨床研究

丘腦參與不同空間定位坐標系之間的信息整合*

王靜1，朱磊2，潘玉君3△

(1.重慶醫(yī)科大學附屬第二醫(yī)院呼吸內(nèi)科400010；2.河南省漯河市中心醫(yī)院神經(jīng)內(nèi)科462000；3.哈爾濱醫(yī)科大學附屬第一醫(yī)院神經(jīng)內(nèi)科，哈爾濱 150001)

目的探討丘腦是否參與以外界物體為中心(allocentric)和以觀察者為中心(egocentric)坐標系之間的信息整合。方法分別以5名健康人及2例左側(cè)丘腦腹后核(VP)梗死患者為研究對象，測定其在物體位置辨別任務中的手動反應時間，對數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計學分析。結(jié)果試驗結(jié)果提示當視覺刺激出現(xiàn)在屏幕右側(cè)(egocentric 方向為右)時，egocentric和allocentic不兼容時的手動反應時間明顯縮短： allocentric方向為左時，不兼容與兼容條件下手動反應時間，差異無統(tǒng)計學意義(P>0.05);屏幕右側(cè)egocentric和allocentic不兼容時的手動反應時間較兩者兼容的手動反應時間增加不明顯，差異無統(tǒng)計學意義(P> 0.05),而與對側(cè)兩者不兼容的手動反應時間相比，則明顯減小，差異有統(tǒng)計學意義(P<0.05)。結(jié)論左側(cè)丘腦腹后核參與了對側(cè)egocentric 和allocentic信息不兼容條件下的空間信息整合，延長了手動反應時間。

丘腦腹側(cè)核；空間信息;皮質(zhì)下整合

以觀察者為中心(egocentric)坐標系信息主要存在于背側(cè)額頂環(huán)路。 以外界物體為中心(allocentric)信息主要位于于腹側(cè)顳枕環(huán)路[1-3]。發(fā)現(xiàn)allocentric信息能影響egocentric坐標系定位的準確性[4-5]。egocentric信息能影響allocentric坐標系的信息處理速度[2]。附加眼動區(qū)(SEF)的神經(jīng)元活動同時參與兩者信息處理[6]。提示allocentic和egocentric坐標系信息可以相互影響。哪些腦區(qū)可能參與了這兩者信息的整合還不清楚。丘腦是各種感覺信息在皮層下的重要中繼站，同時在各大腦皮層之間的信息傳遞中起重要作用[7-9]。本研究以局限性丘腦損傷患者為研究對象，探討其在兩種坐標系信息整合中的作用。

1　資料與方法

1.1一般資料2例左側(cè)丘腦腹后核梗死患者來自哈爾濱醫(yī)科大學附屬第一醫(yī)院神經(jīng)內(nèi)科(患者1、2的年齡為45、58歲)。常規(guī)頭MRI檢查(飛利浦，1.5 T，層厚6 mm,T1、T2 加權(quán)像及FLAIR像)證實左側(cè)丘腦梗死病灶并排除其他部位的病灶。病灶見圖1、2。2例患者均表現(xiàn)出典型的急性腦血管病癥狀。該院5名年齡匹配的健康人作為對照組參與本試驗。試驗組及對照組既往均無精神、神經(jīng)系統(tǒng)疾病病史，視力或矯正視力正常，無嚴重行動不便(至少1側(cè)上肢肢體肌力為5級)。神經(jīng)心理學檢查證實記憶、視空間感知、執(zhí)行功能及快速眼動無損傷。向患者及對照組交代試驗目的及具體事項，征得同意后，簽署由該院倫理委員會批準的知情同意書(批準號：201201)。

1.2儀器與設(shè)備CRT彩色顯示器(22英寸,Mitsubishi Rdf225wg Oem Sum X149A刷新率：100 Hz,屏幕分辨率：1 280×960)。紅外光源眼位置追蹤儀(Eyelink 1000,采樣率為1 000 Hz,加拿大SR Research公司)。 MATLAB軟件2009版本,The MathWorks公司提供，與Psychtoolbox (PTB-3)聯(lián)合運用實現(xiàn)試驗參數(shù)的設(shè)置，并記錄、儲存、分析試驗數(shù)據(jù)。暗室：2.0 m×1.2 m× 2.1 m。

1.3方法物體位置辨別任務：被試者正對顯示屏，開始時要求盯住屏幕中央注視點(半徑：0.3°視角度)，600～1 000 ms后，視覺刺激(大、小兩個圓，半徑； 1.5°、0.6°視角度，顏色；紅、藍、綠中隨機的2種)，出現(xiàn)在屏幕左或右上方(向左或右1.25、3.75、6.25、8.75 °視角度)。被試者根據(jù)大圓相對于小圓的位置盡可能快地做出手動反應：若大圓在小圓的右側(cè)，則按下向右的方向鍵，反之，則按下向左的方向鍵，見圖3A。Eyelink 1 000記錄眼動參數(shù)， Matlab記錄并計算手動反應時間。根據(jù)視覺刺激出現(xiàn)在屏幕左右及大圓相對于小圓的位置將試驗分為4類，即 “LL”、“LR”、“RR”、“RL”。進一步地，“LL”、“RR”歸為allocentric 與egocentric方向一致(兼容)，而將“LR”、“RL”歸為allocentric 與egocentric方向相反(不兼容，見圖3B)。

單手試驗任務：由于患者LXJ在試驗數(shù)據(jù)采集時右上肢肌力為5-，為了排除肢體無力本身所致的手動反應時間的偏差，作者要求其用左手做出手動反應。如1組任務中，若大圓出現(xiàn)在小圓的右側(cè)，其盡可能快的按中間鍵。反之，則什么都不做，等待試驗結(jié)束。在下一組任務中，相反條件下做出手動反應。

每組試驗之前用Eyelink對受試者進行6個點模式的眼位置校準。若試驗中眼睛未能盯準注視點，試驗任務結(jié)束(break)，進入下次試驗。

A:TIWI;B:T2WI;C:FLAIR;D:矢狀位;紅色箭頭：梗死部位。

圖1丘腦梗死患者1的MRI

A:TIWI;B:T2WI;C:FLAIR;D:矢狀位;紅色箭頭：梗死部位。

圖2丘腦梗死患者2的MRI

1.4數(shù)據(jù)處理計算手動反應時間:由于手動反應時間不服從正態(tài)分布，作者采用廣義極值分布模型(generalized extreme value,GEV)[10]對受試者的手動反應時間的分布進行擬合。廣義極值分布見公式(1)，其中t(x)由公式(2)計算得出，μ，σ及ξ分別代表曲線的位置，分布幅度及曲線的偏斜程度。其平均值通過公式(3)算出。

(1)

(2)

(3)

計算兩手之間固有的手動反應時間差值:由于在手動反應中，優(yōu)勢手的反應時間較非優(yōu)勢手短[11]。為了排除左右兩手這種固有的反應時間的差別，作者用egocentric 和allocentric兼容條件下左手摁鍵的時間減去右手摁鍵的時間算出固有的手動反應時間差值。再將左手的手動反應時間減去固有的手動反應時間差值作為校正后的左手手動反應時間。

A：試驗任務示意圖；B：實驗分類示意圖。

圖3位置判別任務及試驗分類

2　結(jié)　果

對于錯誤試驗(按錯鍵)及眼睛未能盯準注視點(fixation breaks)的試驗，作者不對其進行后期的數(shù)據(jù)分析。在作者試驗中，7個受試者4813次任務中共有錯誤試驗及fixation breaks 試驗95次(排除率為1.97%)。

2.1對照組位置判別任務中的手動反應時間特點圖4顯示的是5名健康受試者在位置判別任務中的手動反應時間。當egocentric和allocentic方向不一致(LR、RL,藍色線左側(cè)部分及紅色線右側(cè)部分)時手動反應時間較兩者方向一致(RR、LL,藍色線右側(cè)部分及紅色線左側(cè)部分)時顯著增加(allo右:P=0.001 2,allo左:P=8.723 6×10-4)。且當egocentric和allocentic方向不一致時，手動反應時間隨視覺刺激距屏幕正中距離增加逐漸延長，而對于egocentric和allocentic方向一致時，手動反應時間與視覺刺激的偏心距離無明顯關(guān)系。

紅色虛線：大圓在小圓左側(cè)；藍色虛線：大圓在小圓右側(cè)；L：左；R：右。

圖4健康受試者在位置判別任務中的手動反應時間

2.2試驗組位置判別任務中的手動反應時間特點圖5表示的是2例左側(cè)丘腦腹后核梗死患者(LQF,LXJ)的手動反應時間。作者發(fā)現(xiàn)病損對側(cè)(右側(cè))不兼容條件下手動反應時間明顯縮短(紅線右側(cè)部分所示)。當allocentric方向為右時，不兼容條件下的手動反應時間較兼容條件下手動反應時間顯著增加(LQF:P=0.041,LXJ:P=3.77×10-5)。然而，當allocentric方向為左時，不兼容條件下的手動反應時間較兼容條件下手動反應時間增加不明顯(LQF:P=0.717，LXJ:P= 0.213)。當視覺刺激出現(xiàn)在病灶同側(cè)(左側(cè))時，不兼容條件下手動反應時間明顯長于兼容條件下的手動反應時間(LQF:P=0.04,LXJ:P=1.14×10-6),當視覺刺激出現(xiàn)在病灶對側(cè)(右側(cè))，不兼容條件下與兼容條件下患者的手動反應時間差距不明顯(LQF:P=0.373，LXJ:P=0.033 2)。2例患者數(shù)據(jù)綜合統(tǒng)計差異無統(tǒng)計學意義(P=0.288)。

不兼容條件下，當視覺刺激出現(xiàn)在病灶對側(cè)(右側(cè))時手動反應時間明顯小于視覺刺激出現(xiàn)在病灶同側(cè)(左側(cè))的手動反應時間(LQF:P=0.0341，LXJ:P= 0.0286)，并與病灶同側(cè)兼容條件下的手動反應時間近似(LQF:P=0.886,LXJ:P=0.343)。結(jié)果表明左側(cè)丘腦腹后核梗死后導致病灶對側(cè)egocentric 和allocentic方向不一致條件下的手動反應時間明顯降低，提示左側(cè)丘腦腹后核作為一個節(jié)點參與了對側(cè)視野egocentric 和allocentic不兼容條件下空間信息整合,并且該種整合延長了反應時間。

A:患者LQF的手動反應時間；B患者LXJ的手動反應時間；L：左；R：右。

圖52例左側(cè)丘腦腹后核?；颊咴谖恢门袆e任務中的手動反應時間

3　討　論

作者的試驗以左側(cè)丘腦腹后核梗死患者為試驗對象測試其在物體位置辨別任務中的手動反應時間。結(jié)果發(fā)現(xiàn)與對照組相比，左側(cè)丘腦腹后核梗死患者在不兼容條件下病損對側(cè)手動反應時間明顯縮短。這提示左側(cè)丘腦腹后核可能參與了對側(cè)視野egocentric和allocentic信息不兼容條件下的空間信息整合。并同時通過健康人及丘腦損傷患者驗證了Zhou等[2]前期關(guān)于egocentric信息能影響allocentric坐標系信息處理速度的結(jié)論。

一直以來，大量研究發(fā)現(xiàn)allocentric信息能影響egocentric坐標系信息的準確性，而egocentric信息不能影響allocentric坐標系信息的準確性[10-11]。若將一個小的目標點置于大的背景中，若目標點偏向背景的右側(cè)，感知到的目標點的位置較其實際位置更靠近右側(cè)，反之則更靠近左側(cè)。這提示目標物相對于背景的位置能影響人們對外界物體的位置判斷。然而，定量分析發(fā)現(xiàn)目標物相對于觀察者的位置不能影響觀察者對目標物相對于背景位置的判斷[12]。

Zhou等[2]及本試驗發(fā)現(xiàn)當egocentric 和allocentic 方向相反時，受試者的手動反應時間較兩者方向相同時明顯增加。這提示egocentric信息能影響allocentric坐標系的信息處理速度。這些試驗結(jié)果表明這兩種空間定位坐標系在功能上是相互關(guān)聯(lián)的：allocentric信息能影響egocentric坐標系定位的準確性，egocentric信息能影響allocentric坐標系信息的處理速度。目前不清楚為什么這兩種坐標系互相影響不同的信息處理因素。本研究推測可能與egocentric坐標系更強調(diào)外界物體相對于觀察者的位置，而allocentric坐標系信息更強調(diào)外界物體之間的相互關(guān)系有關(guān)。

前期的報道認為丘腦左右核團功能不對稱：左側(cè)丘腦更側(cè)重于語言功能，右側(cè)丘腦在視覺空間信息中起重要作用[13]。作者的試驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)左側(cè)丘腦亦在空間信息整合中起重要重用。然而，由于缺乏右側(cè)丘腦相應核團梗死患者的行為學數(shù)據(jù)，作者不清楚右側(cè)丘腦是否具有類似空間信息整合功能。

本研究的局限性：試驗例數(shù)太少，結(jié)果僅僅提示左側(cè)丘腦腹后核參與了對側(cè)視野egocentric和allocentic信息不兼容條件下的空間信息整合的試驗現(xiàn)象，后續(xù)需要大樣本量的試驗分析進行驗證。另一方面，在本試驗中僅僅只收集到了左側(cè)丘腦核團梗死的患者，缺乏右側(cè)相關(guān)核團發(fā)生病損的對照數(shù)據(jù)。

[1]Saj A,Cojan Y,Musel B,et al.Functional neuro-anatomy of egocentric versus allocentric space representation[J].Neurophysiol Clin,2014,44(1):33-40.

[2]Zhou Y,Liu Y,Zhang W,et al.Asymmetric influence of egocentric representation onto allocentric perception[J].J Neurosci,2012,32(24):8354-8360.

[3]Bisley JW,Goldberg ME.Attention,intention,and priority in the parietal lobe[J].Annu Rev Neurosci,2010,33:1-21.

[4]Hackett TA,Stepniewska I,Kaas JH.Thalamocortical connections of the parabelt auditory cortex in macaque monkeys[J].J Comp Neurol,1998,400(2):271-286.

[5]Hetherington HP,Kuzniecky RI,Vives K,et al.A subcortical network of dysfunction in TLE measured by magnetic resonance spectroscopy[J].Neurology,2007,69(24):2256-2265.

[6]Moorman DE,Olson CR.Combination of neuronal signals representing object-centered location and saccade direction in macaque supplementary eye field[J].J Neurophysiol,2007,97(5):3554-3566.

[7]Zhang D,Snyder AZ,Fox MD,et al.Intrinsic functional relations between human cerebral cortex and thalamus[J].J Neurophysiol,2008,100(4):1740-1748.

[8]Sherman SM.The thalamus is more than just a relay[J].Curr Opin Neurobiol,2007,17(4):417-422.

[9]Cappe C,Morel A,Rouiller EM.Thalamocortical and the dual pattern of corticothalamic projections of the posterior parietal cortex in macaque monkeys[J].Neuroscience,2007,146(3):1371-1387.

[10]Guan S,Liu Y,Xia R,et al.Covert attention regulates saccadic reaction time by routing between different visual-oculomotor pathways[J].J Neurophysiol,2012,107(6):1748-1755.

[11]Boulinguez P,Nougier V,Velay JL.Manual asymmetries in reaching movement control.I:Study of right-handers[J].Cortex,2001,37(1):101-122.

[12]Neggers SF,Sch?lvinck ML,Van Der Lubbe RH,et al.Quantifying the interactions between allo- and egocentric representations of space[J].Acta Psychol (Amst),2005,118(1/2):25-45.

[13]Heitz RP,Schall JD.Neural mechanisms of speed-accuracy tradeoff[J].Neuron,2012,76(3):616-628.

Human thalamus participating in information integration among different spatial orientation coordinate systems*

WangJing1,ZhuLei2,PanYujun3△

(1.DepartmentofRespiration,SecondClinicalHospitalofChongqingMedicalUniversity,Chongqing400010,China;2.DepartmentofNeurology,LuoheCentralHospital,Luohe,Henan,462000,China;3.DepartmentofNeurology,theFirstAffiliatedHospitalofHarbinMedicalUniversity,Harbin,Heilongjiang150001,China)

ObjectiveTo investigate whether the thalamus participates in the information integration of allocentric and egocentric coordinate systems.MethodsTotally 5 healthy individuals and 2 patients with left ventral posterior (VP) nucleus infarction of thalamus were taken as the research subjects and detected the manual reaction time (RT) in the position discrimination task.Then the obtained data were statistically analyzed.ResultsThe experiment results prompted that when the visual stimulation presented at the screen right side(egocentric direction was right),RT was significantly shortened in the egocentric and allocentic incompatible condition,when the direction was the left,RT had no obvious difference between the compatible and incompatible conditions(P>0.05);the RT increase under egocentric and allocentic incompatible condition in the screen right side was not obvious compared with egocentric and allocentic compatible condition(P>0.05),but which was obviously shortened compared with incompatible condition in the contralateral side(P<0.05).ConclusionLeft thalamus VP is involved in the spatial information integration under the contralateral side egocentric and allocentic information incompatible condition and prolongs RT.

ventral thalamic nuclei;spatial information;subcortical integration

10.3969/j.issn.1671-8348.2016.13.008

國家自然科學基金資助項目(81072412)；神經(jīng)科學國家重點實驗室開放課題基金資助項目(SKLN-2010A05)。作者簡介 ：王靜(1985-)，博士,醫(yī)師，主要從事低氧導致認知功能障礙的分子機制的研究?！?/p>

，Tel:(0451)85555799；E-mail：yujunpan@126.com。

R743.3

A

1671-8348(2016)13-1753-03

2015-11-26

2015-12-22)