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除了神经元之间的共享,“电场”也影响了大脑的回路

发布时间: 2023-07-26  点击次数: 257次

 

《Cerebral Cortex》上一项新的开放获取研究表明,当动物玩工作记忆游戏时,它们正在记忆的信息通过所有参与的神经元的潜在电活动产生的电场在两个关键的大脑区域协调。反过来,电场似乎驱动了神经活动,或者是细胞膜上明显的电压波动。


大脑的“回路"隐喻是不争议的,因为它是熟悉的:神经元形成直接的物理连接,以创建功能网络,例如存储记忆或产生思想。但这个比喻也是不完整的。是什么驱使这些电路和网络走到一起?新的证据表明,这种协调至少有一部分来自电场。


该研究的作者说,如果神经元是管弦乐队中的音乐家,那么大脑区域就是他们的部分,记忆就是他们演奏的音乐,那么电场就是导体。


这种盛行的电场影响组成神经元的膜电压的物理机制被称为“触感耦合"。这些膜电压是大脑活动的基础。当它们越过一个阈值时,神经元就会“尖峰",通过称为突触的连接发送电信号,向其他神经元发出信号。但研究的资深作者、麻省理工学院脑与认知科学系的皮考尔教授Earl K. Miller说,任何数量的电活动都可能导致一个普遍存在的电场,而电场也会影响尖峰。


Miller说:“许多皮质神经元在尖峰的边缘徘徊了很长时间。它们周围电场的变化可以将它们推向不同的方向。很难想象进化不利用这一点。"


伦敦城市大学副教授、Picower学习与记忆研究所研究员Dimitris Pinotsis说,这项新研究特别表明,电场驱动神经元网络的电活动,以产生存储在工作记忆中的信息的共享表示。他指出,这些发现可以提高科学家和工程师从大脑中读取信息的能力,这可能有助于为瘫痪患者设计大脑控制的假肢。


“利用复杂系统理论和数学纸笔计算,我们预测大脑的电场引导神经元产生记忆,"Pinotsis说。“我们的实验数据和统计分析支持这一预测。这是数学和物理如何揭示大脑领域以及它们如何为构建脑机接口(BCI)设备提供见解的一个例子。"


领域盛行

在2022年的一项研究中,Miller和Pinotsis开发了一种由神经电活动产生的电场的生物物理模型。他们发现,与单个神经元的电活动相比,从大脑区域的神经元群中产生的整体磁场更可靠、更稳定地代表了动物用来 工作记忆游戏的信息。神经元是一种变化无常的装置,其变化无常会产生一种被称为“表征漂移"的信息不一致。在今年早些时候的一篇观点文章中,科学家们还假设,除了神经元,电场还影响大脑的分子结构及其调节,从而使大脑有效地处理信息。


在这项新研究中,Pinotsis和Miller扩展了他们的研究,询问触觉耦合是否将控制电场扩散到多个大脑区域,形成一个记忆网络,或“印痕"。


因此,他们扩大了分析范围,研究了大脑中的两个区域:额眼区(FEF)和辅助眼区(SEF)。这两个区域控制着眼睛的自主运动,与动物们正在玩的工作记忆游戏有关,因为在每一轮中,动物们都会在屏幕上看到一个图像,它位于中心的某个角度(就像时钟上的数字)。在短暂的延迟之后,他们不得不朝那个物体刚才所在的方向看。


当动物玩耍时,科学家们记录下了每个区域几十个神经元产生的局部场电位(LFPs,一种局部电活动的测量方法)。科学家们将记录的LFP数据输入数学模型,预测个体神经活动和整体电场。


这些模型使Pinotsis和Miller能够计算出电场的变化是否能预测膜电压的变化,或者膜活性的变化是否能预测电场的变化。为了进行分析,他们使用了一种叫做格兰杰因果关系的数学方法。毫无疑问,这一分析表明,在每个区域,磁场对神经活动有很强的因果影响,而不是相反。与去年的研究一致,分析还表明,对磁场的影响强度的测量比对神经活动的测量要稳定得多,这表明磁场更可靠。


研究人员随后检查了两个大脑区域之间的因果关系,发现电场,而不是神经活动,可靠地代表了FEF和SEF之间的信息传递。更具体地说,他们发现转移通常从FEF流向SEF,这与之前关于两个区域如何相互作用的研究一致。FEF倾向于引导眼球运动。


最后,Pinotsis和Miller使用了另一种称为表示相似性分析的数学技术来确定这两个区域是否实际上在处理相同的记忆。他们发现,电场,而不是LFPs或神经活动,在两个区域代表相同的信息,将它们统一成一个印痕记忆网络。


进一步的临床意义

考虑到有证据表明电场来自神经电活动,但随后又驱动神经活动来表示信息,Miller推测,也许单个神经元的电活动的一个功能是产生然后控制它们的电场。


Miller说:“这是一条双向的道路。“尖峰和突触非常重要。这是基础。但随后磁场会反过来影响峰值。"


他说,这可能对心理健康治疗有重要的意义,因为神经元是否以及何时会产生脉冲会影响它们连接的强度,从而影响它们形成的回路的功能,这种现象被称为突触可塑性。


Miller指出,诸如经颅电刺激(TES)等临床技术可以改变大脑电场。如果电场不仅能反映神经活动,还能积极塑造神经活动,那么TES技术就可以用来改变神经回路。他说,适当设计的电场操作有一天可以帮助病人重新连接故障的电路。