大腦皮層的活動(dòng)在很大程度上是由大腦產(chǎn)生的各種振蕩所支持的，這些振蕩跨越了許多頻率和解剖位置。大多數(shù)形式的大腦節(jié)律是基于抑制的，產(chǎn)生有節(jié)奏的抑制輸入到主要細(xì)胞群，從而提供相對(duì)減弱和增強(qiáng)神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)興奮性的交替時(shí)間窗口。這些基于抑制的機(jī)制提供了自然的時(shí)間框架，將神經(jīng)元活動(dòng)分“組”或分“塊”成組合和組合序列，更復(fù)雜的多振蕩相互作用為皮層網(wǎng)絡(luò)之間的有效信息交換創(chuàng)建語(yǔ)法（排列規(guī)則）。本文對(duì)此進(jìn)行了詳細(xì)介紹，文章發(fā)表在Dialogues in Clinical Neuroscience雜志。(可添加微信號(hào)siyingyxf或18983979082獲取原文，另思影提供免費(fèi)文獻(xiàn)下載服務(wù)，如需要也可添加此微信號(hào)入群，原文也會(huì)在群里發(fā)布)。
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解開(kāi)神經(jīng)科學(xué)中的交叉頻率耦合
睡眠期間人類(lèi)海馬體中緩慢振蕩、紡錘波和波紋的分層嵌套
Neuron：老年人腦波在睡眠時(shí)失耦合：慢波-紡錘波同步、腦萎縮和遺忘
跨頻率耦合：連接架構(gòu)、機(jī)制和功能
22q11.2缺失綜合征青少年gamma頻帶反應(yīng)和遠(yuǎn)程通信中斷的異常發(fā)育模式
經(jīng)顱電刺激促進(jìn)睡眠振蕩及其功能耦合增強(qiáng)輕度認(rèn)知障礙患者的記憶鞏固
人類(lèi)海馬體中緩慢的Theta-gamma相幅耦合支持新的情景記憶的形成
Brain：對(duì)帕金森患者EEG中β-γ相位-振幅耦合時(shí)空特征的研究
經(jīng)顱交流電刺激(tACS)：使大腦節(jié)律同步以提高認(rèn)知能力
BRAIN：腦電研究：丙泊酚引起的意識(shí)喪失與丘腦-皮層連接的減少有關(guān)
經(jīng)顱交流電刺激（tACS）有助于老年人工作記憶的恢復(fù)
空間工作記憶的關(guān)鍵神經(jīng)機(jī)制：前額葉皮層的Theta和High Gamma同步
交叉頻率耦合在認(rèn)知控制不同成分中的因果作用
1. 介紹：大腦節(jié)律系統(tǒng)
所有哺乳動(dòng)物大腦皮層的活動(dòng)具有兩個(gè)基本特征：局部-全局交流和持續(xù)活動(dòng)。由于哺乳動(dòng)物大腦中神經(jīng)元的雙向和高度分支連接，局部活動(dòng)會(huì)影響周?chē)慕M織。大腦皮層的第二個(gè)基本特征是它的持久性活動(dòng)，也就是說(shuō)，在最初的輸入消失后，能夠持續(xù)并存在痕跡很久。
腦振蕩的交互系統(tǒng)可以維持局部-全局的相互作用和持續(xù)活動(dòng)。大腦皮層是永遠(yuǎn)活躍的，這反映在不斷變化的腦電圖(EEG)上。傳統(tǒng)的腦電圖定量研究通過(guò)計(jì)算長(zhǎng)時(shí)間記錄的頻譜功率分布(圖1)。細(xì)胞外信號(hào)的一個(gè)顯著方面是它在空間和時(shí)間上的自相似性。其中，微電極或頭皮大電極在不同皮層結(jié)構(gòu)上記錄的細(xì)胞外信號(hào)的基本特征是相同的，盡管記錄的神經(jīng)元體積在數(shù)量級(jí)上不同。因此，某些基本方面的功能在不同的位置和規(guī)?；疽恢?。這樣的分布表明存在復(fù)雜噪聲，這使得許多研究人員認(rèn)為，大腦動(dòng)力學(xué)本質(zhì)上是混沌的，是由噪聲波動(dòng)驅(qū)動(dòng)的。然而，這個(gè)結(jié)論只在對(duì)長(zhǎng)時(shí)間大腦活動(dòng)進(jìn)行研究時(shí)才成立。從感知到行動(dòng)，許多最有趣的與大腦相關(guān)的現(xiàn)象發(fā)生在相對(duì)較短的時(shí)間窗口內(nèi)，如亞秒。因此，這些短時(shí)窗口是與研究認(rèn)知活動(dòng)相關(guān)的大腦動(dòng)力學(xué)最相關(guān)的。從這種時(shí)間的角度來(lái)看，表征這些認(rèn)知時(shí)刻的大腦模式通常在本質(zhì)上是振蕩的，并在信息處理后可靠地返回到相同的狀態(tài)。
圖1 相互作用的大腦振蕩系統(tǒng)。皮層中的振蕩類(lèi)。
重要的是，定義皮層振蕩的邊界有很多，經(jīng)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)這些振蕩相對(duì)獨(dú)立。主要受神經(jīng)元軸突傳導(dǎo)速度較慢的限制，當(dāng)可用時(shí)間較短時(shí)，就像高頻振蕩的情況一樣，參與的神經(jīng)元被限制在一小塊神經(jīng)組織中。相比之下，在緩慢的振蕩過(guò)程中，大量組織中的許多神經(jīng)元可以被劃分到節(jié)律中。主要由于這種結(jié)構(gòu)約束，當(dāng)多個(gè)節(jié)律同時(shí)出現(xiàn)時(shí)，慢節(jié)律的相位會(huì)調(diào)節(jié)快節(jié)律的功率。這種“跨頻相位耦合”，首先在θ和γ振蕩之間被證明，是所有已知節(jié)律的一般機(jī)制(圖2)，它鞏固了大腦節(jié)律的層次組織。
圖2 (a)大腦視圖，顯示發(fā)生的位置，有瞬態(tài)γ振蕩和海馬區(qū)(HI)內(nèi)嗅皮層(EC)的θ振蕩。相同和不同類(lèi)型的大腦節(jié)律可以通過(guò)調(diào)節(jié)振蕩的相位和/或振幅在結(jié)構(gòu)內(nèi)部和跨結(jié)構(gòu)之間相互影響。(b)兩個(gè)結(jié)構(gòu)之間“合成”γ振蕩的相-相耦合。
(c)跨頻相位幅值耦合。
(d)除了相幅耦合，兩個(gè)位點(diǎn)也可能顯示γ相干性。
(e)跨頻相位耦合。
(f)慢節(jié)律可以調(diào)節(jié)多個(gè)新皮層區(qū)域的γ功率，當(dāng)海馬網(wǎng)絡(luò)處于慢振蕩的“準(zhǔn)備”階段時(shí)，局部狀態(tài)的結(jié)果返回到海馬。
2. 哺乳動(dòng)物大腦節(jié)律的保持
無(wú)論大腦大還是小的動(dòng)物中記錄的腦電圖或局部場(chǎng)電位(LFP)的頻譜特征都是相似的，所有已知的人類(lèi)振蕩在迄今調(diào)查的所有其他哺乳動(dòng)物中都存在。重要的是，無(wú)論大腦大還是小的動(dòng)物中具有相同的間歇性性質(zhì)和可能存在相同的機(jī)制。在所有被測(cè)試的哺乳動(dòng)物的新皮層中都觀察到緩慢的振蕩(0.5到2Hz)。同樣，睡眠紡錘波不僅有相同的頻率(12到18Hz)，而且紡錘波的持續(xù)時(shí)間也相似。超慢(0.1Hz)節(jié)律(圖3)涉及新皮層的大片區(qū)域，很容易用fMRI檢測(cè)到。皮質(zhì)網(wǎng)絡(luò)興奮性的超慢波動(dòng)是穩(wěn)定的，在猴子、貓和大鼠中也觀察到了這種波動(dòng)(圖3)。丘腦皮層α振蕩(8 - 12Hz)是感覺(jué)和運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)在“空轉(zhuǎn)”或無(wú)定向狀態(tài)下的特征動(dòng)態(tài)。在人類(lèi)中，α家族節(jié)律的特定成員被稱(chēng)為視覺(jué)系統(tǒng)的α振蕩、感覺(jué)運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的mu(μ)節(jié)律和聽(tīng)覺(jué)系統(tǒng)的tau (τ)節(jié)律。即使在沒(méi)有味覺(jué)輸入的情況下，在味覺(jué)皮層中也發(fā)現(xiàn)了類(lèi)似的α機(jī)制。在擁有大面積視覺(jué)皮層的靈長(zhǎng)類(lèi)動(dòng)物中，閉眼會(huì)在新皮層的枕后部分引起廣泛的α振蕩。海馬θ振蕩可能是已知的唯一頻率與大腦大小成反比的節(jié)律。嚙齒動(dòng)物的6 -12Hz θ振蕩在食肉動(dòng)物中減慢到4-6Hz。θ頻率在人類(lèi)中是最慢的(1 - 4Hz)。
圖3 跨頻率耦合有助于大腦節(jié)律的體系。(a)來(lái)自大鼠新皮層第5層的局部場(chǎng)電位示蹤(1Hz-3kHz)和來(lái)自海馬CA1錐體層的濾出(140-240 Hz)，說(shuō)明了“波紋”的出現(xiàn)。δ波的峰值和睡眠紡錘波的波谷用星號(hào)標(biāo)出。(b)以海馬波紋為中心的新皮層活動(dòng)的海馬波紋功率譜圖。
在各種哺乳動(dòng)物物種中，節(jié)律的保持是支持時(shí)間作為大腦動(dòng)力學(xué)中最重要的組織原則的一個(gè)重要論據(jù)。雖然不同物種的大腦節(jié)律變化很小(30%到100%)，但從最小的到最大的哺乳動(dòng)物，大腦的大小會(huì)增加數(shù)百到數(shù)千倍。這種縮放過(guò)程對(duì)大腦發(fā)育造成了嚴(yán)重和關(guān)鍵的限制。雖然模塊化的新皮層可以在體積上成倍擴(kuò)大，但與時(shí)間相關(guān)的問(wèn)題似乎從根本上塑造了大腦的系統(tǒng)發(fā)育。為了在皮層增殖時(shí)保持時(shí)間尺度，更多的長(zhǎng)距離軸突通路和更有效的軸突髓鞘被部署。相比之下，在大腦較大的哺乳動(dòng)物中，海馬體θ振蕩頻率降低的一個(gè)潛在論點(diǎn)是，海馬體是一個(gè)單一的皮質(zhì)模塊，它的生長(zhǎng)受到軸突傳導(dǎo)延遲的限制。海馬體CA3區(qū)的錐體神經(jīng)元支配著海馬體的很大一部分，連接著遠(yuǎn)處的對(duì)等神經(jīng)元，需要較長(zhǎng)的軸突長(zhǎng)度，因此，延遲時(shí)間更長(zhǎng)。隨著結(jié)構(gòu)的增長(zhǎng)，延遲的增加可能導(dǎo)致θ節(jié)律的減慢。
重要的是，節(jié)律可以根據(jù)特定物種的需要有效地適應(yīng)。例如，行走和呼吸節(jié)律的中樞模式生成器根據(jù)生態(tài)需求而變化，從大型水生哺乳動(dòng)物每分鐘0.5個(gè)模式到小鼠每分鐘100個(gè)模式。相反，跨物種大腦振蕩的穩(wěn)定性似乎反映了時(shí)間的重要性，以及相同編碼機(jī)制的遺傳。
大腦振蕩為神經(jīng)有序排列提供了框架
大多數(shù)網(wǎng)絡(luò)振蕩是基于抑制的，其中主要神經(jīng)元群體由抑制突觸后電位的重復(fù)序列來(lái)調(diào)節(jié)。這些節(jié)律性抑制的排布提供了主要細(xì)胞興奮性交替降低和增強(qiáng)的窗口?；谝种频恼袷幙赡芡ㄟ^(guò)提供一種自然的方法來(lái)“停止”神經(jīng)元信息流的信號(hào)，方法是暫時(shí)使主要細(xì)胞沉默，并將信息流“分組”到更短的時(shí)間幀中，在傳遞信息的主要細(xì)胞中出現(xiàn)具有特征的最大和最小峰值活動(dòng)。
一般來(lái)說(shuō)，語(yǔ)法是一組原則，它允許使用最少的規(guī)則從有限的元素生成豐富的組合。有人假設(shè)，神經(jīng)元語(yǔ)法的基本元素是在γ節(jié)律中一起放電的神經(jīng)元的集合。細(xì)胞集合最重要的作用是將足夠數(shù)量的相鄰神經(jīng)元聚集在一起，使它們的集體峰值能使下游突觸后神經(jīng)元中的適當(dāng)數(shù)量超過(guò)放電閾值。因此，從下游靶細(xì)胞的角度來(lái)看，上游神經(jīng)元的集體活動(dòng)只有在它們的峰值出現(xiàn)在時(shí)間積分窗口內(nèi)時(shí)才被歸類(lèi)為單一事件；如果信號(hào)在這個(gè)時(shí)間尺度內(nèi)發(fā)生，它們將被合并為一個(gè)單一事件。多個(gè)γ節(jié)律，每個(gè)包含它們自己的細(xì)胞組合，可以被認(rèn)為是“神經(jīng)字母”，然后這些字母可以組合成“單詞”和后來(lái)的“句子”。
綜上所述，跨頻率相互作用的層次性可能反映了一種句法組織機(jī)制。重要的是，LFP γ振蕩片段可以作為組合的代理，并用于監(jiān)測(cè)神經(jīng)元通信的生理和疾病相關(guān)的改變。
大腦振蕩支持區(qū)域間的交流
如前所述，有效的通信要求消息通過(guò)發(fā)送方和接收方都知道的語(yǔ)法規(guī)則。大腦網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)進(jìn)化出了自己的自組織(“自發(fā)”)模式，無(wú)論傳感器或發(fā)送者網(wǎng)絡(luò)傳遞的信息是被放大還是被忽略，這種模式都能有效地阻止或偏向。
為了更好地說(shuō)明這些現(xiàn)象，我們將從感覺(jué)系統(tǒng)開(kāi)始，它不是“隨時(shí)準(zhǔn)備”的閱讀機(jī)制，而是與專(zhuān)門(mén)的運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)共同進(jìn)化，致力于使這些感覺(jué)系統(tǒng)最有效地運(yùn)行。這些專(zhuān)門(mén)的運(yùn)動(dòng)輸出，如舔、嗅、拍打、觸摸、眼跳運(yùn)動(dòng)或其他門(mén)控機(jī)制，通過(guò)優(yōu)化傳感器的方向，從而最大化它們對(duì)環(huán)境采樣的能力，協(xié)助它們特定的感覺(jué)系統(tǒng)。除了優(yōu)化傳感器，自頂向下的機(jī)制在短時(shí)間內(nèi)提供進(jìn)一步的放大和濾波。這種主動(dòng)機(jī)制可以產(chǎn)生瞬時(shí)增益，增強(qiáng)感覺(jué)系統(tǒng)選擇性處理輸入的能力。這種短暫的增益調(diào)整可能在視覺(jué)中發(fā)揮關(guān)鍵作用，其中眼跳運(yùn)動(dòng)允許對(duì)視覺(jué)輸入進(jìn)行間斷和主動(dòng)的采樣。這一機(jī)制可以解釋為什么靜止的圖片在較高的視覺(jué)區(qū)域幾乎無(wú)法檢測(cè)到峰值率的變化，而頻繁掃視掃描的電影剪輯卻能強(qiáng)烈激活相同的細(xì)胞。綜上所述，感覺(jué)的順序似乎如下：產(chǎn)生一個(gè)內(nèi)部計(jì)劃，允許選擇性放大預(yù)先計(jì)劃的輸入和抑制其他信息流，最后檢測(cè)。這種主動(dòng)采樣機(jī)制通常被稱(chēng)為注意或選擇性注意。
我們假設(shè)，與感覺(jué)系統(tǒng)類(lèi)似，大腦的高階區(qū)域采用了類(lèi)似的啟動(dòng)機(jī)制來(lái)有效處理傳入信息。例如，在慢波睡眠期間，神經(jīng)信息從海馬體(“發(fā)送者”)轉(zhuǎn)移到新皮層(“讀者”)，可以由新皮層神經(jīng)元在慢波睡眠期間發(fā)生的新皮層慢振蕩中過(guò)渡到去極化/活躍狀態(tài)而啟動(dòng)。這些新皮層(接收者)興奮性的波動(dòng)可以使海馬(發(fā)送者)的振蕩峰值含量偏置，從而允許海馬返回信號(hào)，并相互影響那些在緩慢振蕩的持續(xù)去極化狀態(tài)下仍在積極峰值的新皮層群體。在清醒的大腦中，方向是相反的：由海馬體通過(guò)(發(fā)送者)新皮層網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)的θ相位來(lái)控制局部γ振蕩。
3. 大腦振蕩的層次結(jié)構(gòu)是由跨頻耦合形成的
腦節(jié)律之間可以通過(guò)多種機(jī)制相互作用，包括相-相、相-幅和幅-幅包絡(luò)耦合(圖2)。在最簡(jiǎn)單的情況下，相同或不同解剖結(jié)構(gòu)中頻率相似的振蕩可以通過(guò)一種稱(chēng)為相位耦合的機(jī)制相互牽引，相位耦合可以通過(guò)相干性或更先進(jìn)的方法來(lái)測(cè)量。一個(gè)著名的相-相耦合的例子是貫穿海馬體-內(nèi)嗅皮層系統(tǒng)的相干θ振蕩。通常，當(dāng)頻率相似的振蕩耦合時(shí)，總頻率由最快的一個(gè)決定。
頻率相近的振蕩之間的相互作用在時(shí)間上不太精確，但卻很重要，它用功率的時(shí)間共變來(lái)表示，稱(chēng)為功率-功率耦合。在各種網(wǎng)絡(luò)中，兩個(gè)或多個(gè)振蕩的功率-功率同步可以通過(guò)交叉頻率相位-振幅耦合或嵌套振蕩來(lái)協(xié)調(diào)。慢振蕩能影響大腦多個(gè)區(qū)域的快振蕩的一個(gè)原因與皮層神經(jīng)元的傳導(dǎo)速度有關(guān)。與快速振蕩相比，慢速振蕩涉及更大體積的更多神經(jīng)元，并與更大的膜電位變化相關(guān)。
一些研究已經(jīng)證明了跨頻率耦合的生理效用。例如，大鼠海馬和紋狀體的θ-γ耦合強(qiáng)度受任務(wù)要求的影響。在選擇任務(wù)的工作記憶階段，前額葉皮層的4Hz振蕩與γ功率之間的耦合幅度增加。在植入深度電極的患者中，海馬區(qū)θ-γ耦合的大小隨工作記憶負(fù)荷的變化而變化。計(jì)算模型表明θ相嵌套γ波可以支持多項(xiàng)工作記憶，允許對(duì)單個(gè)項(xiàng)或地點(diǎn)進(jìn)行離散表示和排序。
當(dāng)兩種節(jié)律的頻率之間存在整數(shù)關(guān)系時(shí)，另一種跨頻相互作用稱(chēng)為跨頻相位-相位或n:m耦合。在n:m相位鎖定中，可以觀察到與一個(gè)頻率的“驅(qū)動(dòng)”周期相關(guān)的m個(gè)事件，發(fā)生在另一個(gè)“刺激”周期的n個(gè)不同時(shí)間或階段。當(dāng)多個(gè)振蕩同時(shí)存在時(shí)，相-相耦合可能不會(huì)特別明顯。然而，由于重復(fù)序列n:m圖樣在時(shí)間上是周期性的，對(duì)于不同的n:m比，可以計(jì)算振蕩相位之間的差的分布?，F(xiàn)在已經(jīng)有描述大鼠和人的θ-γ節(jié)律之間的相-相跨頻同步(圖4)和工作記憶任務(wù)中的人腦磁圖(MEG)中β -γ振蕩之間的同步。
圖4 振蕩之間的相-相耦合。
(a)海馬θ和γ振蕩之間的相-相關(guān)系。注意，更快和更慢的γ振蕩同時(shí)存在。
(b)幾個(gè)經(jīng)過(guò)濾波的γ頻帶在不同n:m (θ:γ)關(guān)系(1:1,1:2....1:12)下計(jì)算的θ和γ相差分布。
跨頻耦合現(xiàn)象有力地證明了多種腦節(jié)律在空間和時(shí)間上的層次組織，暗示了大腦中的時(shí)間是在多個(gè)相關(guān)尺度上表示的。計(jì)算模型已經(jīng)探索了跨頻耦合的潛在理論優(yōu)勢(shì)，并且跨頻耦合的機(jī)制可能形成神經(jīng)語(yǔ)法的主干，它允許將序列分割和連接到細(xì)胞組(“字母”)和組序列(神經(jīng)“詞”)。
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重慶：
第四屆腦電機(jī)器學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)處理班（Matlab版本，重慶，9.24-29）
第二十七屆腦電數(shù)據(jù)處理入門(mén)班（重慶，10.28-11.2）
北京：
第三十九屆腦電數(shù)據(jù)處理中級(jí)班（北京，10.11-16）
更新：第十三屆眼動(dòng)數(shù)據(jù)處理班（北京，10.26-31）
上海：
第二十五屆近紅外腦功能數(shù)據(jù)處理班（上海，10.17-22）
第三十六屆腦電數(shù)據(jù)處理中級(jí)班（上海，11.13-18）
南京：
第五屆腦電機(jī)器學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)處理班（Matlab版本，南京，11.3-8）
數(shù)據(jù)處理業(yè)務(wù)介紹：
思影科技EEG/ERP數(shù)據(jù)處理業(yè)務(wù)
思影科技近紅外腦功能數(shù)據(jù)處理服務(wù)
思影科技腦電機(jī)器學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)處理業(yè)務(wù)
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招聘及產(chǎn)品：
思影科技招聘數(shù)據(jù)處理工程師 （上海，北京，南京，重慶）
BIOSEMI腦電系統(tǒng)介紹
目鏡式功能磁共振刺激系統(tǒng)介紹
4. 大腦節(jié)律的峰值內(nèi)容
雖然局部場(chǎng)電位提供了關(guān)于神經(jīng)元群體行為的可靠信息，但它們并不完全代表神經(jīng)元間通信的真正通用貨幣:動(dòng)作電位，或細(xì)胞“發(fā)射”的“峰值”。雖然局部場(chǎng)電位振蕩可以被視為一種關(guān)于特定神經(jīng)元群體的動(dòng)作電位產(chǎn)生的狀態(tài)的信號(hào)，但它主要是神經(jīng)元的動(dòng)作電位輸出。通過(guò)實(shí)驗(yàn)，對(duì)振蕩的峰值內(nèi)容有了更好的理解。
其中一個(gè)例子就是海馬體的“位置細(xì)胞”:海馬體的錐體和顆粒細(xì)胞會(huì)顯示出與大鼠在其環(huán)境中的位置相關(guān)的有秩序的動(dòng)作電位。這些神經(jīng)元的集合提供了足夠的空間信息，可以用來(lái)定義空間的特定位置。此外，在奔跑/移動(dòng)的動(dòng)物中，通過(guò)一系列具有空間組織的海馬位置細(xì)胞神經(jīng)元的激活，它們對(duì)動(dòng)物未來(lái)將訪問(wèn)的地方有一個(gè)不斷更新的預(yù)測(cè)過(guò)程。在一個(gè)給定的θ節(jié)律中，在該周期的低谷處活躍的神經(jīng)元似乎代表了大鼠當(dāng)前的位置，在該周期早期活躍的神經(jīng)元似乎代表了已經(jīng)去過(guò)的地方，而在θ節(jié)律后期活躍的神經(jīng)元?jiǎng)t代表了未來(lái)的位置(圖5)。這些預(yù)測(cè)激活神經(jīng)元的時(shí)間關(guān)系受一個(gè)“壓縮規(guī)則”控制:在θ周期內(nèi)，神經(jīng)元的峰值時(shí)序序列預(yù)測(cè)了大鼠路徑中即將出現(xiàn)的位置序列，更大的時(shí)滯比例代表更大的距離或時(shí)間(圖5)。時(shí)間壓縮機(jī)制對(duì)海馬神經(jīng)元的組織具有重要影響。由于在θ周期內(nèi)位置細(xì)胞尖峰之間的時(shí)間偏差很小，許多重疊位置神經(jīng)元的尖峰相加會(huì)產(chǎn)生一個(gè)頻率比組成神經(jīng)元的振蕩頻率慢的群振蕩。
圖5 海馬體中的多個(gè)時(shí)間表征。
兩個(gè)CA1錐體細(xì)胞(綠色和藍(lán)色)在線性軌跡(黑色)上有重疊的位置場(chǎng)表示。動(dòng)物從位置1(綠色)的峰值(虛線)到達(dá)位置2(藍(lán)色)需要幾秒鐘。
中間圖，作為大鼠在軌道上的位置和它們的θ相位的函數(shù)的尖峰圖。每個(gè)點(diǎn)都是一個(gè)動(dòng)作電位。
右圖，參照峰(藍(lán)色)和綠色神經(jīng)元在θ時(shí)間刻度(箭頭)上的時(shí)間偏移，如交叉相關(guān)圖所示。位置細(xì)胞尖峰在θ周期內(nèi)的時(shí)間偏移與它們的距離(或時(shí)間)表示是相關(guān)的。
位置神經(jīng)元之間的θ周期內(nèi)時(shí)間滯后在很大程度上決定了海馬系統(tǒng)的全局相干θ振蕩。不同時(shí)間尺度之間關(guān)系的一個(gè)重要推論是，即使大鼠的奔跑速度不同，位置細(xì)胞在相同的環(huán)境中仍然代表相同的位置和距離，因?yàn)槲恢眉?xì)胞的振蕩頻率與速度成比例地增加。另一個(gè)分支是θ振蕩時(shí)間編碼的自然上限受到θ周期持續(xù)時(shí)間的限制。在這幅神經(jīng)元脈沖時(shí)間圖上，大鼠前方50cm的物體和位置最初與較遠(yuǎn)的地標(biāo)難以區(qū)分，但隨著動(dòng)物靠近，它們逐漸被更好地分辨。由于這種時(shí)間上的限制，海馬體就像一個(gè)“空間變焦”裝置，所以距離分辨率會(huì)隨著環(huán)境的大小而變化。
上述海馬體研究的例子表明，對(duì)多個(gè)時(shí)間尺度的表征是皮層功能的基本特征。類(lèi)似的編碼策略可能支持“網(wǎng)格細(xì)胞”的出現(xiàn)(神經(jīng)元不僅活躍在環(huán)境中的特定位置，而且占據(jù)了在等邊三角形網(wǎng)格中有規(guī)律間隔的一系列位置)，以及前額葉皮層和其他結(jié)構(gòu)中的其他復(fù)雜功能。多時(shí)間尺度表征是大腦中的普遍現(xiàn)象。
因此，神經(jīng)元振蕩以多種方式組織多個(gè)神經(jīng)元的峰值活動(dòng)，這似乎允許預(yù)測(cè)、回憶、鞏固和創(chuàng)造性聯(lián)想。此外，這似乎是一種比空間處理系統(tǒng)應(yīng)用更廣泛的現(xiàn)象，可能是大量有效的神經(jīng)信息處理的基礎(chǔ)。
振蕩可以促進(jìn)峰值同步和異步
振蕩和同步通常被同義使用，針對(duì)網(wǎng)絡(luò)振蕩作用的一個(gè)反對(duì)意見(jiàn)是，有節(jié)奏放電的神經(jīng)元是可預(yù)測(cè)的，峰值同步在很大程度上是多余的。根據(jù)這一推理，最同步的網(wǎng)絡(luò)模式發(fā)生在睡眠、麻醉和各種疾病(如癲癇和帕金森病)期間。與這些狀態(tài)相反，表征系統(tǒng)的有效性的特點(diǎn)是各組成部分之間的相互作用極小，而行為任務(wù)中的行為表現(xiàn)的改善往往表現(xiàn)為增加峰間可變性和減少神經(jīng)元之間的峰間相關(guān)性。這一觀點(diǎn)似乎與神經(jīng)元振蕩增強(qiáng)神經(jīng)元編碼能力的說(shuō)法大相徑庭。
大腦皮層錐體神經(jīng)元之間的快速通信是由AMP - a型谷氨酸受體建立的，這種受體較弱，傳輸失敗的可能性較大。因此，為了將信息傳遞給相鄰的神經(jīng)元，錐體細(xì)胞應(yīng)該以短暫的聯(lián)合或細(xì)胞集合的形式聚集在一起。顳葉集合形成的目的是釋放下游神經(jīng)元。因此，對(duì)于有效的通信有一個(gè)最低水平的同步要求，它可能是γ節(jié)律定義的細(xì)胞組來(lái)代表一個(gè)可用的信息包，其中包含不同的具體內(nèi)容。
用相位同步法可以建立出局部γ振蕩與更全局的較慢節(jié)律之間的跨頻耦合。然而，這種耦合機(jī)制并不意味著較慢的振蕩放大了γ節(jié)律的同步性。相反，γ節(jié)律分布在調(diào)制慢振蕩的相空間中。在基于抑制的振蕩中，組合被用于故意延長(zhǎng)時(shí)間，而不是縮小同步的時(shí)間窗口。與直觀的“振蕩增強(qiáng)-同步”圖相反，主神經(jīng)元之間的時(shí)間同步在θ波振蕩時(shí)最低，而在慢波睡眠時(shí)最高。另一個(gè)反直覺(jué)的觀察是，海馬主要細(xì)胞的峰間間隔變異系數(shù)(CV)在θ波振蕩相關(guān)的探索行為中也是最大的，在慢波睡眠中最小。θ振蕩這種“矛盾”的異步和尖峰可變性促進(jìn)的潛在機(jī)制是它能夠在時(shí)間上協(xié)調(diào)神經(jīng)元的興奮性和抑制性突觸輸入。
5. 神經(jīng)振蕩和峰值動(dòng)力學(xué)與精神疾病的關(guān)系
網(wǎng)絡(luò)振蕩的時(shí)間協(xié)調(diào)特性不僅與健康的大腦有關(guān)，也與精神疾病的病理過(guò)程有關(guān)。精神疾病包括情緒、感知和現(xiàn)實(shí)測(cè)試障礙的癥狀，更不用說(shuō)有些不太明確的人格障礙和其他特征障礙，其中描述了社交、依戀和整體個(gè)人功能的更微妙的紊亂。所有精神疾病都有大腦的基礎(chǔ)，很可能是電生理學(xué)過(guò)程。我們相信，神經(jīng)元振蕩為加強(qiáng)動(dòng)物研究和精神疾病之間的聯(lián)系提供了正確的探索水平，因此我們?cè)谶@一領(lǐng)域的進(jìn)展工作下面簡(jiǎn)要回顧，并討論可能的未來(lái)方向。
作為可量化表型的腦振蕩
腦振蕩是哺乳動(dòng)物最具遺傳性的特征之一，自最早的人類(lèi)腦電圖研究以來(lái)，已有180個(gè)已知的腦振蕩特征。在早期個(gè)體發(fā)育期間，大腦生理經(jīng)歷了巨大的變化，這些變化持續(xù)到成年。然而，盡管有這些發(fā)展/成熟的變化，當(dāng)幾個(gè)月后重新測(cè)試時(shí)，主題內(nèi)的模式非常穩(wěn)定，比主題間的變化更穩(wěn)定。健康的成年人在睡眠期間在8 - 16 Hz波段表現(xiàn)出非常穩(wěn)定的功率譜模式，這使得90%的個(gè)體辨別正確，獨(dú)立于教育水平或一般智力。同卵雙胞胎自發(fā)腦電圖在所有頻率和腦區(qū)均表現(xiàn)出高度的相似性。雜合子雙胞胎的一致性較非雙胞胎兄弟姐妹低，但仍高于非雙胞胎兄弟姐妹。不僅自組織(“自發(fā)”)，而且反應(yīng)模式也受到強(qiáng)大的遺傳控制，如視覺(jué)誘導(dǎo)γ頻帶(45-85 Hz)活性的高遺傳指數(shù)所示(圖6)。
圖6 大腦節(jié)律是由基因調(diào)節(jié)的，是獨(dú)一無(wú)二的。
(A, B)單合子(MZ)雙胞胎中視覺(jué)誘導(dǎo)γ帶活性的時(shí)頻顯示。
(C)控制期(綠色)和視覺(jué)刺激期(紅色)腦磁圖活動(dòng)的平均譜功率。
D-F，與異卵雙胞胎的A - C相同。MZ相對(duì)于DZ，MEG的頻率和時(shí)間動(dòng)態(tài)變化有更強(qiáng)的相似性。
如果利用腦電圖和腦磁圖(MEG)對(duì)個(gè)體進(jìn)行指紋識(shí)別是可能的，那么從大腦活動(dòng)的角度來(lái)表征神經(jīng)和精神疾病無(wú)疑是一種有用的方法。雖然腦電圖是確定和描述某些神經(jīng)和精神疾病的最古老的診斷工具之一，但最近在理解大腦節(jié)律的起源和生理意義方面取得的進(jìn)展重新引起了對(duì)這一臨床研究領(lǐng)域的興趣。
精神疾病的振蕩表型
最近大量的文章報(bào)道了精神分裂癥患者在各種行為任務(wù)中的γ頻帶振蕩受損。此外，精神分裂癥患者都有局部γ振蕩的減弱，也有跨半球或其他大解剖距離的γ同步擾動(dòng)。此外，許多最近的報(bào)道將γ振蕩干擾的程度與精神分裂癥癥狀的程度相關(guān)，包括精神分裂癥典型的認(rèn)知障礙、陽(yáng)性癥狀(如幻覺(jué)和妄想)和陰性癥狀(如情感遲鈍、快感缺乏、厭學(xué)狀態(tài))。最后，這些γ干擾也存在于精神分裂癥患者的一級(jí)親屬中，其本身沒(méi)有典型的精神分裂癥癥狀，因此可能是一種可追溯的內(nèi)顯型。精神分裂癥患者睡眠時(shí)紡錘體的θ-γ相耦合也明顯減少。鑒于谷氨酸神經(jīng)元是神經(jīng)信號(hào)的主要中樞，γ振蕩擾動(dòng)也可能指向谷氨酸系統(tǒng)的改變。事實(shí)上，數(shù)據(jù)顯示，針對(duì)精神分裂癥的谷氨酸靶向治療可能對(duì)精神分裂癥患者有效。
抑郁癥現(xiàn)在也很普遍，許多研究已經(jīng)注意到抑郁患者與對(duì)照組之間的振蕩相關(guān)的差異:α和β節(jié)律功率增加，大腦半球額側(cè)的不對(duì)稱(chēng)α。這種差異可能被用來(lái)更好地治療這種使人衰弱、有時(shí)甚至致命的疾病。目前，雖然存在各種各樣的抑郁癥治療方法，但目前藥物治療的技術(shù)水平是基于統(tǒng)計(jì)信息的試驗(yàn)和錯(cuò)誤。這是由于沒(méi)有可靠的方法來(lái)確定哪種藥物對(duì)哪個(gè)病人有效。一個(gè)特別與臨床相關(guān)的問(wèn)題是，一種特定的測(cè)量方法是否可以用于為特定患者選擇哪種藥物。一些研究發(fā)現(xiàn)，一種名為LDAEP(聽(tīng)覺(jué)誘發(fā)電位的響度依賴(lài)性)的測(cè)量方法可以區(qū)分患者對(duì)血清素抗抑郁藥和非血清素抗抑郁藥的反應(yīng)。
一種新的治療方法
如今，精神病學(xué)治療的主要模式是基于藥理學(xué)。在睡眠和解決任務(wù)的實(shí)驗(yàn)中，大腦網(wǎng)絡(luò)特定的振蕩和它們相互作用的跨頻率耦合可以有效地量化，而且由于網(wǎng)絡(luò)模式受到大量精神藥物的特異性和差異影響，因此可以用于早期篩查。不同于人類(lèi)和動(dòng)物模型之間在許多測(cè)量方法上的藥物反應(yīng)常常不同，網(wǎng)絡(luò)振蕩的藥理學(xué)特征在所有哺乳動(dòng)物物種中是相同的。
為了進(jìn)行更詳細(xì)的分析，可以對(duì)動(dòng)物的多個(gè)單個(gè)神經(jīng)元進(jìn)行大規(guī)模記錄，以評(píng)估藥物的效應(yīng)和新/其他藥物。當(dāng)然，這類(lèi)工作將從人類(lèi)疾病網(wǎng)絡(luò)改變的研究中獲得信息，一旦動(dòng)物的發(fā)現(xiàn)得到實(shí)現(xiàn)，它們就可以應(yīng)用到人類(lèi)身上。
此外，以振蕩為中心的方法為基于藥物的干預(yù)提供了另一種選擇：基于對(duì)大腦活動(dòng)本身的測(cè)量，進(jìn)行異常大腦活動(dòng)校正。這種方法在耐藥的情況下當(dāng)然很有吸引力，但作為一線治療也可能有用，特別是如果它們能保持非侵入性的話。事實(shí)上，這類(lèi)療法的一個(gè)版本已經(jīng)以生物反饋的形式存在了多年，即向患者展示他們大腦節(jié)律的各種變化，并要求他們通過(guò)認(rèn)知控制將大腦節(jié)律改變到特定的方向。通過(guò)不同程度的練習(xí)，患者能夠學(xué)會(huì)自我改變他們的大腦振蕩。盡管這種反饋療法已經(jīng)使用了幾十年，但治療結(jié)果一直存在爭(zhēng)議，且不理想。
對(duì)于更極端或難以控制的癥狀，異常的大腦活動(dòng)原則上可以通過(guò)適當(dāng)模式的電刺激恢復(fù)。此外，在許多疾病中，癥狀不規(guī)律地、不可預(yù)測(cè)地反復(fù)出現(xiàn)，并常常間隔很長(zhǎng)時(shí)間無(wú)癥狀。在這種情況下，不影響大腦其他方面功能的閉環(huán)反饋大腦控制是可取的。有效的臨床應(yīng)用閉環(huán)治療有兩個(gè)基本要求。第一個(gè)是記錄和識(shí)別因果病理生理網(wǎng)絡(luò)模式。第二個(gè)要求是對(duì)目標(biāo)電路的閉環(huán)反饋刺激，其激活可以干擾新出現(xiàn)的病理模式。圖7顯示了這種方法的原理證明。采用經(jīng)顱電刺激(TES)或光遺傳激活新皮層作為效應(yīng)器，閉環(huán)反饋可有效縮短癲癇發(fā)作時(shí)間。
圖7 丘腦皮質(zhì)的閉環(huán)相互作用。(A)實(shí)驗(yàn)裝置。在雙轉(zhuǎn)基因小鼠的丘腦網(wǎng)狀核內(nèi)放置光纖誘導(dǎo)癲癇發(fā)作；如圖(C)所示。(B)丘腦皮層回路的示意圖。
6. 總結(jié)
本文提出了一些替代療法的想法，比如閉環(huán)反饋，它不僅可以避免用于精神疾病的制藥費(fèi)用減少的問(wèn)題，而且可能會(huì)觸及到這些復(fù)雜疾病迄今為止無(wú)法治療的方面，因?yàn)樗鼈兛赡芡ㄟ^(guò)根本不同的方式起作用。總之，我們認(rèn)為，從振蕩和與集合相關(guān)的快速時(shí)間尺度神經(jīng)活動(dòng)的角度來(lái)研究精神疾病，至少將得到對(duì)精神疾病癥狀基礎(chǔ)的新理解，也可能代表著通向新的和有用的治療方法的道路。
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