除了神經(jīng)元之間的共享，“電場(chǎng)”也影響了大腦的回路

《Cerebral Cortex》上一項新的開(kāi)放獲取研究表明，當動(dòng)物玩工作記憶游戲時(shí)，它們正在記憶的信息通過(guò)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)鍵的大腦區域協(xié)調。反過(guò)來(lái)，電場(chǎng)似乎驅動(dòng)了神經(jīng)活動(dòng)，或者是細胞膜上明顯的電壓波動(dòng)。

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(gè)比喻也是不完整的。是什么驅使這些電路和網(wǎng)絡(luò )走到一起?新的證據表明，這種協(xié)調至少有一部分來(lái)自電場(chǎng)。

該研究的作者說(shuō)，如果神經(jīng)元是管弦樂(lè )隊中的音樂(lè )家，那么大腦區域就是他們的部分，記憶就是他們演奏的音樂(lè )，那么電場(chǎng)就是導體。

這種盛行的電場(chǎng)影響組成神經(jīng)元的膜電壓的物理機制被稱(chēng)為“觸感耦合"。這些膜電壓是大腦活動(dòng)的基礎。當它們越過(guò)一個(gè)閾值時(shí)，神經(jīng)元就會(huì )“尖峰"，通過(guò)稱(chēng)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)院腦與認知科學(xué)系的皮考爾教授Earl K. Miller說(shuō)，任何數量的電活動(dòng)都可能導致一個(gè)普遍存在的電場(chǎng)，而電場(chǎng)也會(huì )影響尖峰。

Miller說(shuō):“許多皮質(zhì)神經(jīng)元在尖峰的邊緣徘徊了很長(cháng)時(shí)間。它們周?chē)妶?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)習與記憶研究所研究員Dimitris Pinotsis說(shuō)，這項新研究特別表明，電場(chǎng)驅動(dòng)神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò )的電活動(dòng)，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計大腦控制的假肢。

“利用復雜系統理論和數學(xué)紙筆計算，我們預測大腦的電場(chǎng)引導神經(jīng)元產(chǎn)生記憶，"Pinotsis說(shuō)?！拔覀兊膶?shí)驗數據和統計分析支持這一預測。這是數學(xué)和物理如何揭示大腦領(lǐng)域以及它們如何為構建腦機接口(BCI)設備提供見(jiàn)解的一個(gè)例子。"

領(lǐng)域盛行

在2022年的一項研究中，Miller和Pinotsis開(kāi)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，與單個(gè)神經(jīng)元的電活動(dòng)相比，從大腦區域的神經(jīng)元群中產(chǎn)生的整體磁場(chǎng)更可靠、更穩定地代表了動(dòng)物用來(lái) 工作記憶游戲的信息。神經(jīng)元是一種變化無(wú)常的裝置，其變化無(wú)常會(huì )產(chǎn)生一種被稱(chēng)為“表征漂移"的信息不一致。在今年早些時(shí)候的一篇觀(guān)點(diǎn)文章中，科學(xué)家們還假設，除了神經(jīng)元，電場(chǎng)還影響大腦的分子結構及其調節，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(xún)問(wèn)觸覺(jué)耦合是否將控制電場(chǎng)擴散到多個(gè)大腦區域，形成一個(gè)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(gè)區域:額眼區(FEF)和輔助眼區(SEF)。這兩個(gè)區域控制著(zhù)眼睛的自主運動(dòng)，與動(dòng)物們正在玩的工作記憶游戲有關(guān)，因為在每一輪中，動(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。

當動(dòng)物玩耍時(shí)，科學(xué)家們記錄下了每個(gè)區域幾十個(gè)神經(jīng)元產(chǎn)生的局部場(chǎng)電位(LFPs，一種局部電活動(dòng)的測量方法)?？茖W(xué)家們將記錄的LFP數據輸入數學(xué)模型，預測個(gè)體神經(jīng)活動(dòng)和整體電場(chǎng)。

這些模型使Pinotsis和Miller能夠計算出電場(chǎng)的變化是否能預測膜電壓的變化，或者膜活性的變化是否能預測電場(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)系的數學(xué)方法。毫無(wú)疑問(wèn)，這一分析表明，在每個(gè)區域，磁場(chǎng)對神經(jīng)活動(dòng)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(chǎng)的影響強度的測量比對神經(jīng)活動(dòng)的測量要穩定得多，這表明磁場(chǎng)更可靠。

研究人員隨后檢查了兩個(gè)大腦區域之間的因果關(guān)系，發(fā)現電場(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(shuō)，他們發(fā)現轉移通常從FEF流向SEF，這與之前關(guān)于兩個(gè)區域如何相互作用的研究一致。FEF傾向于引導眼球運動(dòng)。

最后，Pinotsis和Miller使用了另一種稱(chēng)為表示相似性分析的數學(xué)技術(shù)來(lái)確定這兩個(gè)區域是否實(shí)際上在處理相同的記憶。他們發(fā)現，電場(chǎng)，而不是LFPs或神經(jīng)活動(dòng)，在兩個(gè)區域代表相同的信息，將它們統一成一個(gè)印痕記憶網(wǎng)絡(luò )。

進(jìn)一步的臨床意義

考慮到有證據表明電場(chǎng)來(lái)自神經(jīng)電活動(dòng)，但隨后又驅動(dòng)神經(jīng)活動(dòng)來(lái)表示信息，Miller推測，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(shuō):“這是一條雙向的道路?！凹夥搴屯挥|非常重要。這是基礎。但隨后磁場(chǎng)會(huì )反過(guò)來(lái)影響峰值。"

他說(shuō)，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(shí)會(huì )產(chǎn)生脈沖會(huì )影響它們連接的強度，從而影響它們形成的回路的功能，這種現象被稱(chēng)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(lái)改變神經(jīng)回路。他說(shuō)，適當設計的電場(chǎng)操作有一天可以幫助病人重新連接故障的電路。