《Cerebral Cortex》上一項(xiàng)新的開放獲取研究表明,當(dāng)動物玩工作記憶游戲時,它們正在記憶的信息通過所有參與的神經(jīng)元的潛在電活動產(chǎn)生的電場在兩個關(guān)鍵的大腦區(qū)域協(xié)調(diào)。反過來,電場似乎驅(qū)動了神經(jīng)活動,或者是細(xì)胞膜上明顯的電壓波動。
大腦的“回路"隱喻是不爭議的,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),例如存儲記憶或產(chǎn)生思想。但這個比喻也是不完整的。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。
該研究的作者說,如果神經(jīng)元是管弦樂隊中的音樂家,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,那么電場就是導(dǎo)體。
這種盛行的電場影響組成神經(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的基礎(chǔ)。當(dāng)它們越過一個閾值時,神經(jīng)元就會“尖峰",通過稱為突觸的連接發(fā)送電信號,向其他神經(jīng)元發(fā)出信號。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)量的電活動都可能導(dǎo)致一個普遍存在的電場,而電場也會影響尖峰。
Miller說:“許多皮質(zhì)神經(jīng)元在尖峰的邊緣徘徊了很長時間。它們周圍電場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,電場驅(qū)動神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)的電活動,以產(chǎn)生存儲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)紙筆計算,我們預(yù)測大腦的電場引導(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)計分析支持這一預(yù)測。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)電活動產(chǎn)生的電場的生物物理模型。他們發(fā)現(xiàn),與單個神經(jīng)元的電活動相比,從大腦區(qū)域的神經(jīng)元群中產(chǎn)生的整體磁場更可靠、更穩(wěn)定地代表了動物用來 工作記憶游戲的信息。神經(jīng)元是一種變化無常的裝置,其變化無常會產(chǎn)生一種被稱為“表征漂移"的信息不一致。在今年早些時候的一篇觀點(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擴(kuò)散到多個大腦區(qū)域,形成一個記憶網(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區(qū)域:額眼區(qū)(FEF)和輔助眼區(qū)(SEF)。這兩個區(qū)域控制著眼睛的自主運(yùn)動,與動物們正在玩的工作記憶游戲有關(guān),因?yàn)樵诿恳惠喼?,動物們都會在屏幕上看到一個圖像,它位于中心的某個角度(就像時鐘上的數(shù)字)。在短暫的延遲之后,他們不得不朝那個物體剛才所在的方向看。
當(dāng)動物玩耍時,科學(xué)家們記錄下了每個區(qū)域幾十個神經(jīng)元產(chǎn)生的局部場電位(LFPs,一種局部電活動的測量方法)。科學(xué)家們將記錄的LFP數(shù)據(jù)輸入數(shù)學(xué)模型,預(yù)測個體神經(jīng)活動和整體電場。
這些模型使Pinotsis和Miller能夠計算出電場的變化是否能預(yù)測膜電壓的變化,或者膜活性的變化是否能預(yù)測電場的變化。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,在每個區(qū)域,磁場對神經(jīng)活動有很強(qiáng)的因果影響,而不是相反。與去年的研究一致,分析還表明,對磁場的影響強(qiáng)度的測量比對神經(jīng)活動的測量要穩(wěn)定得多,這表明磁場更可靠。
研究人員隨后檢查了兩個大腦區(qū)域之間的因果關(guān)系,發(fā)現(xiàn)電場,而不是神經(jīng)活動,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。
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,而不是LFPs或神經(jīng)活動,在兩個區(qū)域代表相同的信息,將它們統(tǒng)一成一個印痕記憶網(wǎng)絡(luò)。
進(jìn)一步的臨床意義
考慮到有證據(jù)表明電場來自神經(jīng)電活動,但隨后又驅(qū)動神經(jīng)活動來表示信息,Miller推測,也許單個神經(jīng)元的電活動的一個功能是產(chǎn)生然后控制它們的電場。
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)。但隨后磁場會反過來影響峰值。"
他說,這可能對心理健康治療有重要的意義,因?yàn)樯窠?jīng)元是否以及何時會產(chǎn)生脈沖會影響它們連接的強(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。如果電場不僅能反映神經(jīng)活動,還能積極塑造神經(jīng)活動,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)計的電場操作有一天可以幫助病人重新連接故障的電路。