《Nature》耶鲁大学科学家解开百年脑电波之谜

耶鲁大学的科学家追踪了伽马脑波与丘脑-皮质相互作用的关系。这一发现或将揭示大脑如何……

　　

耶鲁大学的科学家追踪了伽马脑波与丘脑 - 皮质相互作用的关系。这一发现或将揭示脑节律如何影响感知和疾病。

一个多世纪以来，科学家们观察到大脑中同步神经元活动的节律波。如今，耶鲁大学的研究人员首次确定了这种特定类型的活动——伽马波——的起源，并将其与行为直接联系起来。

通过开发一种用于测量大脑活动的高精度新方法，该团队克服了长期存在的技术障碍，这些障碍阻碍了人们清楚地了解这些振荡如何促进信息处理和行为控制。该研究结果最近发表在《Nature》杂志上。

意外发现之后

耶鲁大学医学院戈登·M·谢泼德神经科学教授、该研究的资深作者杰西卡·卡丁博士最初并没有计划重新探讨这个课题。作为一名博士后研究员，她之前已经证明可以在大脑中人工诱导伽马波，但她认为测试其功能的“完美实验”几乎不可能实现。

在神经科学中，确定基因、蛋白质或神经节律等元素的作用通常需要破坏它们以观察其后果。然而，这种方法不适用于脑电波。

“问题在于，而且一直以来都是，对于像振荡或活动模式这样的事物，你真的无法在不影响周围脑回路的情况下将其关闭，”卡丁说道，她同时也是耶鲁大学Wu Tsai研究所的成员。“所以，当我创办自己的实验室时，我以为我们永远不会在这个领域开展工作。”

她的一位博士后研究员、该研究的第一作者昆汀·佩雷诺博士（Quentin Perrenoud）展示了他在一项行为任务中追踪信息在大脑中移动方式时收集到的有趣数据，情况发生了改变。结果表明，伽马波可能可以预测行为。在这些证据的鼓舞下，团队继续追寻线索，最终发现了挑战长期以来关于这些大脑节律如何产生的假设的发现。

卡丁说：“这不是一个完美的实验，但它比我们以往能够实现的实验更接近完美。”

丘脑和皮质之间的相互作用产生了伽马射线活动

为了开展这项研究，该研究团队创建了一种新的、高度详细的方法来测量伽马波。这些脑振荡曾被认为是一直持续的，类似于声音波平稳、不间断的起伏。然而，最近的证据表明，伽马活动并非以稳定的流动形式出现，而是以短暂、间歇性的爆发形式出现。

基于这一概念，研究人员在视觉皮层——负责处理视觉信息的大脑区域——的16个不同位置记录了神经元活动。这使他们能够以更高的精确度捕捉伽马活动的空间和时间动态。然后，他们将记录分成单个伽马事件，每个事件代表一个波的单个峰 - 谷 - 峰周期。

如果伽马活动真的像连续振荡一样表现，将所有这些离散事件结合起来会产生一个在记录的大脑区域之间平稳移动的无缝波形。

“但结果发现，这些事件可以同时发生，或者以小爆发的形式出现，或者独自发生，”卡丁说。“它们并不是以长序列的形式发生。”

研究人员将这种方法命名为CBASS（按状态和时频特征聚类带限活动），与其他研究伽马活动的技术相比，它提供了更高的灵敏度。

“它使我们能够获得非常精确的计时，并清晰地识别这些短暂事件，这意味着我们可以在有趣的时刻，比如动物做出决策时，以极高的精确度对其进行映射，”卡丁说。“这意味着我们可以以前所未有的精确度将大脑中的事件与动物的行为联系起来。”

关于伽马活动的起源，一直存在两种观点。大量现有证据支持伽马活动是由皮层产生的观点。但一些研究认为皮层是从大脑的其他部位继承这种活动的——例如，从丘脑，丘脑向皮层发送大量的感觉和运动信息。

“通过这种新方法，我们的数据表明这两种观点都不对，这种活动是由于丘脑和皮层之间的相互作用产生的。当丘脑向皮层发送输入时，伽马活动就会动态产生，然后在皮层中被放大，”卡丁说。

扰乱来自丘脑的信号会影响行为

CBASS的精确性也使研究人员获得了人们一直渴望的能力，即以一种不影响整个大脑的方式打破这种系统，扰乱这些活动模式。

为此，研究人员首先训练小鼠完成一项视觉任务，在这项任务中，只有当出现特定的视觉刺激时，小鼠舔水嘴才会得到奖励。然后，研究人员扰乱了丘脑向皮层发送的信号，这反过来又扰乱了皮层中的伽马活动。

这种伽马射线的紊乱导致小鼠在视觉任务中的表现大幅下降。因此，研究人员采取了相反的方法，人工引发伽马射线活动。

“我们记录了正在感知视觉刺激的小鼠的伽马射线活动，然后将其回放给其他小鼠的大脑。这样做之后，小鼠会误以为它们已经感知到了刺激，”卡丁说道。

综上所述，研究结果表明，皮质中的γ活动支持视觉信息的整合，并参与了由此产生的行为反应。这一信息非常重要，因为研究表明，这种类型的活动在患有神经发育障碍、精神分裂症、躁郁症以及神经退行性疾病的人身上会发生改变。

未来方向：将伽马射线活动与疾病和认知联系起来

卡丁的实验室目前正在研究皮质中的γ射线活动是否可以作为阿尔茨海默病等疾病的早期生物标志物。乙酰胆碱和去甲肾上腺素是丘脑和皮质中的关键信号分子，与认知密切相关，但在神经退行性疾病中会缺失。这些神经调节信号已知能够调节大脑活动的模式。

“我们正在开始研究神经调节信号与这些伽马事件之间的关联，并将运用我们的工具更好地理解神经退行性疾病发生的一系列错误，”卡丁说。“这可能会带来一种可解释的、易于在人类身上获取的阿尔茨海默病早期生物标志物。”

Flexible perceptual encoding by discrete gamma events