除了神經(jīng)元之間的共享，“電場(chǎng)”也影響了大腦的回路

時(shí)間：2023/7/26閱讀：611

《Cerebral Cortex》上一項(xiàng)新的開放獲取研究表明，當(dāng)動(dòng)物玩工作記憶游戲時(shí),，它們正在記憶的信息通過所有參與的神經(jīng)元的潛在電活動(dòng)產(chǎn)生的電場(chǎng)在兩個(gè)關(guān)鍵的大腦區(qū)域協(xié)調(diào)。反過來,，電場(chǎng)似乎驅(qū)動(dòng)了神經(jīng)活動(dòng),，或者是細(xì)胞膜上明顯的電壓波動(dòng),。

大腦的“回路"隱喻是不爭(zhēng)議的,，因?yàn)樗鞘煜さ?神經(jīng)元形成直接的物理連接，以創(chuàng)建功能網(wǎng)絡(luò),，例如存儲(chǔ)記憶或產(chǎn)生思想,。但這個(gè)比喻也是不完整的。是什么驅(qū)使這些電路和網(wǎng)絡(luò)走到一起?新的證據(jù)表明,，這種協(xié)調(diào)至少有一部分來自電場(chǎng),。

該研究的作者說，如果神經(jīng)元是管弦樂隊(duì)中的音樂家,，那么大腦區(qū)域就是他們的部分,，記憶就是他們演奏的音樂，那么電場(chǎng)就是導(dǎo)體,。

這種盛行的電場(chǎng)影響組成神經(jīng)元的膜電壓的物理機(jī)制被稱為“觸感耦合",。這些膜電壓是大腦活動(dòng)的基礎(chǔ)。當(dāng)它們?cè)竭^一個(gè)閾值時(shí),，神經(jīng)元就會(huì)“尖峰",，通過稱為突觸的連接發(fā)送電信號(hào)，向其他神經(jīng)元發(fā)出信號(hào),。但研究的資深作者,、麻省理工學(xué)院腦與認(rèn)知科學(xué)系的皮考爾教授Earl K. Miller說，任何數(shù)量的電活動(dòng)都可能導(dǎo)致一個(gè)普遍存在的電場(chǎng),，而電場(chǎng)也會(huì)影響尖峰,。

Miller說:“許多皮質(zhì)神經(jīng)元在尖峰的邊緣徘徊了很長(zhǎng)時(shí)間。它們周圍電場(chǎng)的變化可以將它們推向不同的方向,。很難想象進(jìn)化不利用這一點(diǎn),。"

倫敦城市大學(xué)副教授,、Picower學(xué)習(xí)與記憶研究所研究員Dimitris Pinotsis說，這項(xiàng)新研究特別表明,，電場(chǎng)驅(qū)動(dòng)神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)的電活動(dòng),，以產(chǎn)生存儲(chǔ)在工作記憶中的信息的共享表示。他指出,，這些發(fā)現(xiàn)可以提高科學(xué)家和工程師從大腦中讀取信息的能力,，這可能有助于為癱瘓患者設(shè)計(jì)大腦控制的假肢。

“利用復(fù)雜系統(tǒng)理論和數(shù)學(xué)紙筆計(jì)算,，我們預(yù)測(cè)大腦的電場(chǎng)引導(dǎo)神經(jīng)元產(chǎn)生記憶,，"Pinotsis說?！拔覀兊膶?shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和統(tǒng)計(jì)分析支持這一預(yù)測(cè),。這是數(shù)學(xué)和物理如何揭示大腦領(lǐng)域以及它們?nèi)绾螢闃?gòu)建腦機(jī)接口(BCI)設(shè)備提供見解的一個(gè)例子。"

領(lǐng)域盛行

在2022年的一項(xiàng)研究中,，Miller和Pinotsis開發(fā)了一種由神經(jīng)電活動(dòng)產(chǎn)生的電場(chǎng)的生物物理模型,。他們發(fā)現(xiàn)，與單個(gè)神經(jīng)元的電活動(dòng)相比,，從大腦區(qū)域的神經(jīng)元群中產(chǎn)生的整體磁場(chǎng)更可靠,、更穩(wěn)定地代表了動(dòng)物用來工作記憶游戲的信息。神經(jīng)元是一種變化無常的裝置,，其變化無常會(huì)產(chǎn)生一種被稱為“表征漂移"的信息不一致,。在今年早些時(shí)候的一篇觀點(diǎn)文章中，科學(xué)家們還假設(shè),，除了神經(jīng)元,，電場(chǎng)還影響大腦的分子結(jié)構(gòu)及其調(diào)節(jié)，從而使大腦有效地處理信息,。

在這項(xiàng)新研究中,，Pinotsis和Miller擴(kuò)展了他們的研究，詢問觸覺耦合是否將控制電場(chǎng)擴(kuò)散到多個(gè)大腦區(qū)域,，形成一個(gè)記憶網(wǎng)絡(luò),，或“印痕"。

因此,，他們擴(kuò)大了分析范圍,，研究了大腦中的兩個(gè)區(qū)域:額眼區(qū)(FEF)和輔助眼區(qū)(SEF)。這兩個(gè)區(qū)域控制著眼睛的自主運(yùn)動(dòng),，與動(dòng)物們正在玩的工作記憶游戲有關(guān),，因?yàn)樵诿恳惠喼校瑒?dòng)物們都會(huì)在屏幕上看到一個(gè)圖像，它位于中心的某個(gè)角度(就像時(shí)鐘上的數(shù)字),。在短暫的延遲之后,，他們不得不朝那個(gè)物體剛才所在的方向看。

當(dāng)動(dòng)物玩耍時(shí),，科學(xué)家們記錄下了每個(gè)區(qū)域幾十個(gè)神經(jīng)元產(chǎn)生的局部場(chǎng)電位(LFPs,，一種局部電活動(dòng)的測(cè)量方法)?？茖W(xué)家們將記錄的LFP數(shù)據(jù)輸入數(shù)學(xué)模型,，預(yù)測(cè)個(gè)體神經(jīng)活動(dòng)和整體電場(chǎng)。

這些模型使Pinotsis和Miller能夠計(jì)算出電場(chǎng)的變化是否能預(yù)測(cè)膜電壓的變化,，或者膜活性的變化是否能預(yù)測(cè)電場(chǎng)的變化,。為了進(jìn)行分析，他們使用了一種叫做格蘭杰因果關(guān)系的數(shù)學(xué)方法,。毫無疑問,，這一分析表明，在每個(gè)區(qū)域,，磁場(chǎng)對(duì)神經(jīng)活動(dòng)有很強(qiáng)的因果影響,，而不是相反。與去年的研究一致,，分析還表明,，對(duì)磁場(chǎng)的影響強(qiáng)度的測(cè)量比對(duì)神經(jīng)活動(dòng)的測(cè)量要穩(wěn)定得多,，這表明磁場(chǎng)更可靠,。

研究人員隨后檢查了兩個(gè)大腦區(qū)域之間的因果關(guān)系，發(fā)現(xiàn)電場(chǎng),，而不是神經(jīng)活動(dòng),，可靠地代表了FEF和SEF之間的信息傳遞。更具體地說,，他們發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)移通常從FEF流向SEF,，這與之前關(guān)于兩個(gè)區(qū)域如何相互作用的研究一致。FEF傾向于引導(dǎo)眼球運(yùn)動(dòng),。

最后,，Pinotsis和Miller使用了另一種稱為表示相似性分析的數(shù)學(xué)技術(shù)來確定這兩個(gè)區(qū)域是否實(shí)際上在處理相同的記憶。他們發(fā)現(xiàn),，電場(chǎng),，而不是LFPs或神經(jīng)活動(dòng)，在兩個(gè)區(qū)域代表相同的信息,，將它們統(tǒng)一成一個(gè)印痕記憶網(wǎng)絡(luò),。

進(jìn)一步的臨床意義

考慮到有證據(jù)表明電場(chǎng)來自神經(jīng)電活動(dòng)，但隨后又驅(qū)動(dòng)神經(jīng)活動(dòng)來表示信息,，Miller推測(cè),，也許單個(gè)神經(jīng)元的電活動(dòng)的一個(gè)功能是產(chǎn)生然后控制它們的電場(chǎng),。

Miller說:“這是一條雙向的道路?！凹夥搴屯挥|非常重要,。這是基礎(chǔ)。但隨后磁場(chǎng)會(huì)反過來影響峰值,。"

他說,，這可能對(duì)心理健康治療有重要的意義，因?yàn)樯窠?jīng)元是否以及何時(shí)會(huì)產(chǎn)生脈沖會(huì)影響它們連接的強(qiáng)度,，從而影響它們形成的回路的功能,，這種現(xiàn)象被稱為突觸可塑性。

Miller指出,，諸如經(jīng)顱電刺激(TES)等臨床技術(shù)可以改變大腦電場(chǎng),。如果電場(chǎng)不僅能反映神經(jīng)活動(dòng)，還能積極塑造神經(jīng)活動(dòng),，那么TES技術(shù)就可以用來改變神經(jīng)回路,。他說，適當(dāng)設(shè)計(jì)的電場(chǎng)操作有一天可以幫助病人重新連接故障的電路,。

除了神經(jīng)元之間的共享，“電場(chǎng)”也影響了大腦的回路

會(huì)員登錄

收藏該商鋪

提示