《Cerebral Cortex》上一(yi)項新的開(kai)放獲(huo)取研究(jiu)表明，當動(dong)物(wu)玩工作記憶(yi)游戲(xi)時，它們正在記憶(yi)的信息通過所有參與的神(shen)經(jing)元的潛在電活(huo)動(dong)產生的電場在兩個關鍵的大腦(nao)區域協調。反過來，電場似乎驅動(dong)了神(shen)經(jing)活(huo)動(dong)，或者是(shi)細胞膜上明顯的電壓波動(dong)。

大腦的(de)“回路(lu)"隱(yin)喻(yu)是(shi)不爭議的(de)，因為(wei)它是(shi)熟悉的(de):神經元形成直接的(de)物理連接，以創建功能網(wang)絡，例(li)如存(cun)儲記憶或產(chan)生思(si)想。但這(zhe)個(ge)比(bi)喻(yu)也是(shi)不完(wan)整的(de)。是(shi)什么(me)驅使這(zhe)些電(dian)路(lu)和網(wang)絡走到一起?新的(de)證據表明，這(zhe)種協調至少(shao)有一部分來自電(dian)場。

該研究的(de)作者說，如果神(shen)經(jing)元是(shi)管弦樂(le)隊中的(de)音樂(le)家，那么大腦區域就是(shi)他們(men)的(de)部分，記憶就是(shi)他們(men)演(yan)奏的(de)音樂(le)，那么電場就是(shi)導體。

這種盛行的(de)(de)電(dian)(dian)(dian)(dian)場(chang)(chang)影(ying)響(xiang)組(zu)成神經(jing)元(yuan)(yuan)的(de)(de)膜電(dian)(dian)(dian)(dian)壓(ya)的(de)(de)物理機制(zhi)被(bei)稱為“觸(chu)感(gan)耦合(he)"。這些膜電(dian)(dian)(dian)(dian)壓(ya)是大腦活動(dong)的(de)(de)基礎(chu)。當它們越過一個(ge)閾值時，神經(jing)元(yuan)(yuan)就(jiu)會(hui)“尖峰(feng)"，通(tong)過稱為突觸(chu)的(de)(de)連(lian)接發(fa)送電(dian)(dian)(dian)(dian)信(xin)號，向其他神經(jing)元(yuan)(yuan)發(fa)出信(xin)號。但研究的(de)(de)資(zi)深作者、麻(ma)省理工(gong)學院(yuan)腦與(yu)認(ren)知科學系的(de)(de)皮考爾教授Earl K. Miller說，任何數量的(de)(de)電(dian)(dian)(dian)(dian)活動(dong)都可能導(dao)致一個(ge)普遍存在的(de)(de)電(dian)(dian)(dian)(dian)場(chang)(chang)，而電(dian)(dian)(dian)(dian)場(chang)(chang)也會(hui)影(ying)響(xiang)尖峰(feng)。

Miller說:“許多皮質神經(jing)元(yuan)在尖峰的(de)邊(bian)緣徘(pai)徊了很(hen)長時間。它(ta)們周圍電場的(de)變化可以(yi)將(jiang)它(ta)們推向不同的(de)方向。很(hen)難想象(xiang)進化不利用這(zhe)一點。"

倫敦(dun)城市大(da)學副教授、Picower學習與記(ji)憶研(yan)究所研(yan)究員Dimitris Pinotsis說，這(zhe)項(xiang)新(xin)研(yan)究特別表明，電場驅動神經(jing)元網絡的(de)電活動，以(yi)產生存儲在工(gong)作記(ji)憶中的(de)信息的(de)共享表示。他指出(chu)，這(zhe)些(xie)發現可以(yi)提(ti)高科學家和(he)工(gong)程師(shi)從大(da)腦(nao)中讀取信息的(de)能力，這(zhe)可能有助于(yu)為癱瘓(huan)患者設計大(da)腦(nao)控制的(de)假肢(zhi)。

“利(li)用復雜(za)系統(tong)理論和數學紙筆計算，我們(men)預測大(da)腦(nao)的(de)電場引(yin)導神經元產(chan)生(sheng)記憶，"Pinotsis說。“我們(men)的(de)實驗數據(ju)和統(tong)計分析支持(chi)這(zhe)一預測。這(zhe)是數學和物(wu)理如何揭(jie)示大(da)腦(nao)領域以及它們(men)如何為構建腦(nao)機接口(BCI)設(she)備提供見解的(de)一個例子。"

領域盛行

在(zai)(zai)2022年(nian)的(de)(de)一(yi)(yi)(yi)項(xiang)研究(jiu)中(zhong)，Miller和Pinotsis開發(fa)(fa)了一(yi)(yi)(yi)種(zhong)由神(shen)經電活(huo)(huo)動(dong)產(chan)生(sheng)(sheng)的(de)(de)電場(chang)的(de)(de)生(sheng)(sheng)物物理(li)(li)模(mo)型。他們發(fa)(fa)現，與單個(ge)神(shen)經元的(de)(de)電活(huo)(huo)動(dong)相比，從大(da)腦區域的(de)(de)神(shen)經元群中(zhong)產(chan)生(sheng)(sheng)的(de)(de)整體磁場(chang)更可靠、更穩定地代表了動(dong)物用來 工作記憶游戲的(de)(de)信息(xi)。神(shen)經元是一(yi)(yi)(yi)種(zhong)變化無常的(de)(de)裝置，其變化無常會產(chan)生(sheng)(sheng)一(yi)(yi)(yi)種(zhong)被稱為“表征(zheng)漂移"的(de)(de)信息(xi)不一(yi)(yi)(yi)致。在(zai)(zai)今(jin)年(nian)早(zao)些時候的(de)(de)一(yi)(yi)(yi)篇(pian)觀點(dian)文章中(zhong)，科(ke)學家們還(huan)假設，除了神(shen)經元，電場(chang)還(huan)影響大(da)腦的(de)(de)分子結(jie)構及其調節，從而使大(da)腦有效地處理(li)(li)信息(xi)。

在這(zhe)項新研(yan)究中，Pinotsis和Miller擴展了他們的(de)研(yan)究，詢問(wen)觸覺耦合是否將控(kong)制電場擴散(san)到多(duo)個(ge)大腦區域(yu)，形成(cheng)一個(ge)記憶(yi)網絡，或(huo)“印痕(hen)"。

因(yin)此，他們(men)擴大了分析范圍(wei)，研究了大腦(nao)中(zhong)的(de)(de)兩個區域:額眼(yan)區(FEF)和輔助(zhu)眼(yan)區(SEF)。這兩個區域控(kong)制(zhi)著眼(yan)睛的(de)(de)自主運動，與動物(wu)們(men)正在玩(wan)的(de)(de)工(gong)作記(ji)憶(yi)游(you)戲有關，因(yin)為在每一輪中(zhong)，動物(wu)們(men)都會在屏幕上(shang)看到一個圖像，它位(wei)于中(zhong)心的(de)(de)某個角(jiao)度(就像時鐘上(shang)的(de)(de)數(shu)字)。在短暫(zan)的(de)(de)延遲(chi)之(zhi)后，他們(men)不(bu)得不(bu)朝(chao)那個物(wu)體剛才所(suo)在的(de)(de)方向看。

當動(dong)物玩耍時，科學家們(men)記錄下了每(mei)個(ge)區域幾十個(ge)神經(jing)元產生的(de)(de)局部(bu)場(chang)電(dian)位(LFPs，一種(zhong)局部(bu)電(dian)活動(dong)的(de)(de)測(ce)量方法)。科學家們(men)將記錄的(de)(de)LFP數據輸入(ru)數學模型，預測(ce)個(ge)體(ti)神經(jing)活動(dong)和(he)整體(ti)電(dian)場(chang)。

這些模型使Pinotsis和Miller能夠計算出電(dian)(dian)場(chang)(chang)的(de)(de)變化(hua)(hua)是(shi)否能預測(ce)膜電(dian)(dian)壓(ya)的(de)(de)變化(hua)(hua)，或者膜活(huo)性的(de)(de)變化(hua)(hua)是(shi)否能預測(ce)電(dian)(dian)場(chang)(chang)的(de)(de)變化(hua)(hua)。為了進行分(fen)析(xi)，他們使用了一種叫做(zuo)格蘭(lan)杰因果關系的(de)(de)數學方法(fa)。毫無(wu)疑問，這一分(fen)析(xi)表明，在每個區域，磁(ci)(ci)場(chang)(chang)對神經(jing)活(huo)動有很強的(de)(de)因果影響(xiang)，而不是(shi)相(xiang)反。與去(qu)年(nian)的(de)(de)研究一致，分(fen)析(xi)還(huan)表明，對磁(ci)(ci)場(chang)(chang)的(de)(de)影響(xiang)強度的(de)(de)測(ce)量(liang)比對神經(jing)活(huo)動的(de)(de)測(ce)量(liang)要穩定得多，這表明磁(ci)(ci)場(chang)(chang)更可靠。

研究(jiu)人員隨后檢(jian)查了兩(liang)個大腦區域之(zhi)間的(de)因果關系，發現(xian)電場，而不是神經活動，可靠地代表了FEF和SEF之(zhi)間的(de)信息傳遞。更(geng)具(ju)體(ti)地說，他們(men)發現(xian)轉移通常(chang)從FEF流向SEF，這與(yu)之(zhi)前關于兩(liang)個區域如何相互作用的(de)研究(jiu)一致。FEF傾向于引導眼球(qiu)運動。

最后，Pinotsis和Miller使用了另一(yi)種(zhong)稱為表示相(xiang)似性分析的數學技術來(lai)確定(ding)這(zhe)兩(liang)(liang)個(ge)區(qu)(qu)域是(shi)否實際上在(zai)處理相(xiang)同的記(ji)憶(yi)。他們發現，電場(chang)，而(er)不是(shi)LFPs或神經(jing)活(huo)動，在(zai)兩(liang)(liang)個(ge)區(qu)(qu)域代表相(xiang)同的信(xin)息(xi)，將它們統一(yi)成一(yi)個(ge)印痕記(ji)憶(yi)網絡。

進一步的臨床意義

考(kao)慮到有證據表明電場(chang)來(lai)自神(shen)(shen)經(jing)電活動，但(dan)隨后又驅動神(shen)(shen)經(jing)活動來(lai)表示信息，Miller推測(ce)，也(ye)許(xu)單個(ge)神(shen)(shen)經(jing)元的(de)電活動的(de)一個(ge)功能是產生(sheng)然后控(kong)制它們的(de)電場(chang)。

Miller說:“這是(shi)一條雙(shuang)向的道路(lu)。“尖峰(feng)和突觸非常(chang)重要(yao)。這是(shi)基礎。但隨(sui)后(hou)磁場會反(fan)過來影(ying)響(xiang)峰(feng)值。"

他(ta)說，這(zhe)可能對心理(li)健康治療有(you)重要的意義，因為神經(jing)元是(shi)否以及何時會(hui)產生脈(mo)沖會(hui)影(ying)響(xiang)它(ta)們連接的強度，從而(er)影(ying)響(xiang)它(ta)們形成的回路的功能，這(zhe)種現象被稱為突(tu)觸(chu)可塑性。

Miller指出(chu)，諸如經(jing)顱電(dian)刺激(ji)(TES)等臨床(chuang)技術(shu)可以改變大腦電(dian)場(chang)。如果電(dian)場(chang)不僅能(neng)反映(ying)神(shen)(shen)經(jing)活(huo)動(dong)(dong)，還能(neng)積極塑造神(shen)(shen)經(jing)活(huo)動(dong)(dong)，那么TES技術(shu)就可以用來改變神(shen)(shen)經(jing)回路(lu)。他說，適當設(she)計的電(dian)場(chang)操作有一天可以幫(bang)助(zhu)病人(ren)重新連接故障的電(dian)路(lu)。