脑磁图与面孔识别的神经机制
面孔知觉在社会认知过程中起着至关重要的作用。在短短几百毫秒内，人类就能迅速识别面孔所传递的信息，如年龄、性别、身份等。在过去的十几年，尽管磁共振成像（MRI）和颅内电生理技术（ECoG/sEEG）对人类认识面孔知觉神经机制提供了深入见解，但鲜有研究深入探讨面孔知觉的快速时间结构，尤其是面孔各维度信息在时间上的相互作用。近年来，随着脑成像技术的飞速发展，以原子磁强计脑磁图（OPM-MEG）为代表的前沿脑成像技术凭借其卓越的时间分辨率、优良的空间分辨率及高信噪比，成为研究面孔快速加工的新工具与方法。
国产OPM脑磁图在面孔识别的神经机制研究中取得突破性成果
2024 年 10 月 2 日，北京大学高家红团队在《Journal of Neuroscience》上在线发表了题为 “Decoding the temporal structures and interactions of multiple face dimensions using optically pumped magnetometer magnetoencephalography (OPM-MEG)” 的研究论文。
《Journal of Neuroscience》是国际神经科学领域最具影响力的学术期刊之一，由美国神经科学学会（Society for Neuroscience, SfN）主办。自1981年创刊以来，一直致力于发表高质量的原创研究论文，涵盖神经科学的各个分支，包括分子和细胞神经科学、系统和行为神经科学、认知神经科学、神经发育、神经退行性疾病等。
01
国产OPM脑磁图
为面孔识别研究提供了新的路径
该研究采用了北京昆迈医疗科技有限公司自主开发的OPM-MEG作为主要成像技术（见图1），并利用基于机器学习的多变量模式分析（MVPA）方法，系统地解码了面孔的年龄、表情、性别和种族四个维度在时间上的动态加工过程，揭示了这些维度的时间泛化模式（详见图2与图3）。
图1：被试仰卧在 OPM-MEG 系统（北京昆迈医疗科技有限公司）半开放磁屏蔽筒的扫描床上，OPM探测器可紧密贴合被试的头皮，确保了脑磁探测的最佳性能
图 2：面孔各维度的动态加工过程
图3：面孔各维度的时间泛化结构
研究发现，在四种维度中，对年龄、性别维度的加工起始时间较早，而对种族信息的加工最晚；并且四种维度有加工强度的区别，具体而言，对于年龄维度的解码强度最高（表现为神经表征相似性矩阵和相应的模型矩阵相关性最强），其次分别为表情、性别，以种族维度为最弱。此外，研究发现情绪与种族这两个维度在时间上表现出显著的持续表征模式，这可能提示着这些维度的加工会持续地激活相关的脑网络。
通过表征相似性分析（RSA）方法，研究进一步揭示了面孔各个维度在时间上的相互影响（见图4）。例如研究发现，在面孔刺激呈现后350ms处，对亚洲人性别维度的加工会显著强于对白人性别维度的加工。这些结果表明，面孔各维度的信息编码形成了一个复杂的时空系统。
图4：面孔各维度之间的相互作用
此外，通过重测和跨实验区组的交叉解码方法，研究发现基于 OPM-MEG 的面孔解码结果具有较高的重测信度，表现为对于图片和面孔四种维度跨实验区组的神经解码曲线具有高度的相似性。上述结果突显了该技术在未来用于探索高级认知神经基础研究中的巨大潜力（见图5）。
图5：面孔各维度的跨区组交叉训练/验证结果
02
新起点
国产OPM脑磁图
助力实时、精准的脑功能成像研究
高精度的脑磁图系统能够实现对大脑神经元活动产生的微弱脑磁信号（只有地球磁场强度的约十亿分之一）的超高精度采集，且具有毫米级空间分辨率和毫秒级时间分辨率，实现对人类大脑真正实时、精准的脑功能定位成像，在脑科学研究和脑疾病诊断中发挥着无可替代的作用。
该研究采用了昆迈医疗自主研发的OPM-MEG，昆迈医疗脑磁图是全球首个获得 NMPA 认证的无液氦脑磁图系统，产品突破了高灵敏度磁传感、开放式磁屏蔽、高精度磁反演等一系列 “卡脖子” 技术，确保了脑磁数据的高准确性和可靠性。本研究是继昆迈医疗助力实现全球首个 MEG-EEG-fNIRS 三模态同步采集系统之后，在认知神经科学研究领域的重要进展！
图6：昆迈医疗脑磁图产品
注：该论文的共同第一作者为昌平实验室和北京大学前沿交叉学科研究院联合培养博士生徐炜与昌平实验室研究员吕柄江，通讯作者高家红为北京大学讲席教授、北京大学IDG麦戈文脑科学研究所研究员、昌平实验室领衔科学家。高家红实验室的工作得到了国家发改委、科技部、昌平实验室、国家自然科学基金委员会、北京市科委和北京脑科学与类脑研究中心的科研资助与支持。
