除了神經(jīng)元之間的共享，“電場”也影響了大腦的回路

時間：2023/7/26閱讀：842

《Cerebral Cortex》上一項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，因為它是熟悉的: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。"

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?！拔覀兊膶嶒灁?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。

在這項新研究中，Pinotsis和Miller擴展了他們的研究，詢問觸覺耦合是否將控制電場擴散到多個大腦區(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動，與動物們正在玩的工作記憶游戲有關(guān)，因為在每一輪中，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。“尖峰和突觸非常重要。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，因為神經(jīng)元是否以及何時會產(chǎn)生脈沖會影響它們連接的強度，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。

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