Schizophrenia：利用神经建模方法研究精神分裂症中视觉空间频率敏感性的异质性机制

精神分裂症患者表现出空间频率敏感性的异常，这被认为表明底层处理的广泛功能失调和调节失常。早期视觉系统，包括丘脑的第一阶外侧膝状核（LGN）和初级视皮层（V1），是空间频率敏感性的关键贡献者。服药和未服药的精神分裂症患者在空间频率敏感性上表现出对比变化，因此成为研究该疾病及抗精神病药物对神经处理潜在影响的有用探针。本研究构建了一个参数化的、基于速率的神经模型，模拟了早期视觉系统中具有中心-抑制周边特性的神经元，以研究兴奋和抑制感受野子区域的变化对空间频率敏感性的影响。

我们开发了一个基于速率的初级视觉电路神经模型，能够模拟中央视觉通路中相互连接区域的底层处理，包括视网膜输入到丘脑的外侧膝状核（LGN）、LGN到初级视皮层（17区）、以及视皮层之间的前馈连接。模型采用基于高斯差（DoG）方法模拟感受野组织，模型神经元接收正弦光栅输入，测量模型的响应以生成对比敏感性曲线。模型使用了4000个神经元，连接性遵循中心-抑制周边的组织方式。通过改变兴奋和抑制子区域的参数（包括扩展和振幅），我们能够模拟各种条件下的感知数据，并将模型输出与既往行为/功能研究的数据进行比较。

通过测量神经模型在不同兴奋和抑制参数下的对比敏感性，并与既往精神分裂症患者的感知数据进行比较，我们能够近似和比较每组患者的兴奋/抑制平衡。研究表明，兴奋子区域扩展的减小会导致整体敏感性的增加，而扩展的增加则会导致敏感性的下降。同样，兴奋子区域振幅的增加会导致敏感性的增加，而振幅的减小则会导致敏感性的下降。当同时改变兴奋子区域的扩展和振幅时，模型表现出对空间频率敏感性的显著变化。例如，兴奋子区域扩展减小而振幅增加时，模型在所有空间频率范围内表现出敏感性增加；而扩展增加但振幅减小时，模型表现出敏感性下降。

图1.模型网络、感受野模型和正弦光栅输入刺激的生成

对于抑制子区域的变化，结果显示，抑制子区域扩展的减小会导致敏感性的下降，而扩展的增加则会导致敏感性的增加。当抑制子区域振幅减小时，模型表现出敏感性的增加；而振幅增加时，敏感性下降。当同时改变抑制子区域的扩展和振幅时，模型在不同空间频率范围内的敏感性变化也很显著。例如，抑制子区域扩展和振幅同时减小时，模型在低空间频率范围内表现出显著的敏感性增加；而当扩展和振幅同时增加时，模型在高空间频率范围内表现出敏感性增加。

图2.改变兴奋子区域扩展（σex）和振幅（Ampex）对神经模型空间频率敏感性的影响

本研究利用神经建模方法成功复制了既往关于精神分裂症患者空间频率敏感性的感知数据。模型结果表明，服药患者可能在抑制子区域的扩展和振幅上有增加，或在兴奋和抑制子区域的扩展上有增加而振幅减小。而未服药患者可能在抑制子区域的扩展和振幅上均减小，或在兴奋子区域的扩展上减小而振幅增加。这些发现为未来研究提供了线索，表明精神分裂症患者在不同治疗状态下的感受野特性存在显著差异。未来研究可以进一步探讨这些变化与具体的神经递质、受体密度、神经元数量及其活动性的关系，以揭示精神分裂症感知功能异常的潜在机制。

原始出处：
Dugan C, Zikopoulos B, Yazdanbakhsh A. A neural modeling approach to study mechanisms underlying the heterogeneity of visual spatial frequency sensitivity in schizophrenia. Schizophrenia. 2024;10:63. doi: 10.1038/s41537-024-00480-2.