人类神经元放电随局部场电位振荡频率而变化

《PLOS Biology》：Human neuronal firing varies with the frequency of local field potential oscillations

　　

神经振荡在塑造神经元放电模式中发挥关键作用。尽管相位锁定的神经元放电（“相位调谐”）已在动物模型和人类侵入性记录中得到广泛研究，但关于神经元是否会在特定振荡频率上表现出优先放电，即所谓频率调谐，目前所知要少得多。本研究采用人类颅内记录，覆盖海马（Hipp）、内嗅皮层（EC）、前扣带皮层（ACC）、后扣带皮层（PCC）和眶额皮层（OFC）等多个脑区，以检验神经元是否表现出频率特异性放电这一假设。研究人员分析了19例接受神经外科治疗患者在清醒静息状态下同时记录的357个单单位（single unit）及其对应的局部场电位（LFP）。研究采用自适应频谱分解（adaptive spectral decomposition）估计LFP的瞬时频率（instantaneous frequency），并在控制与频率变化无关的放电率改变后，评估每个神经元的频率调谐。结果发现，27%的神经元在特定频率范围内表现出放电增加或减少，且最常见于低频范围（<10 Hz）。表现频率调谐的神经元不同于表现相位调谐的神经元，这两类调谐均见于多个脑区且无明确解剖偏好。综合而言，结果表明神经振荡的瞬时频率可调制神经元放电，这可能构成人脑信息处理的另一种机制，并为靶向频率的神经刺激（neural stimulation）开辟了新方向。

该论文发表于《PLOS Biology》，研究聚焦于人脑单神经元放电与局部场电位（LFP，反映局部神经元群体突触活动及非突触电流总和的群体电信号）振荡动力学之间的关系。既往研究已较充分证明，神经元可在振荡周期的特定相位发生优先放电，即相位调谐（phase tuning），这被认为是神经编码的重要时间结构机制之一。然而，相较于相位，振荡频率这一维度是否也能直接调制单神经元放电，尤其是在人体在体（in vivo）记录中是否存在“频率调谐（frequency tuning）”，仍缺乏直接证据。传统脑振荡研究常依赖预设经典频段，但人类不同脑区、不同个体的低频振荡具有明显变异性，固定频段划分可能掩盖真实的瞬时频谱特征。因此，有必要在更高时间分辨率和更少先验偏置的分析框架下，检验瞬时振荡频率是否构成影响神经元兴奋性与放电概率的独立变量。该研究正是在这一背景下展开，旨在阐明局部振荡频率是否像相位一样，能够成为塑造人类神经元放电模式的关键因素。

研究人员纳入19例药物难治性癫痫患者，利用临床颅内脑电监测期间的清醒静息态数据，分析海马、内嗅皮层、前扣带皮层、后扣带皮层和眶额皮层的神经活动。研究同时记录宏电极LFP与邻近微丝电极分离得到的单单位活动（SUA，single-unit activity），共纳入357个单神经元。结果显示，15%的神经元存在显著相位调谐，8%的神经元存在显著频率调谐，且两者仅有极少重叠。频率调谐主要集中于<10 Hz低频范围，并表现为对特定频段的放电增强、抑制，或二者并存。研究据此得出结论：LFP的瞬时频率能够独立于相位影响人类神经元放电，频率调谐和相位调谐是两种相对独立的神经反应特性。这一发现拓展了神经振荡调控放电的理论框架，提示频率不仅是网络状态的表征变量，也可能是神经信息处理与干预的重要靶点。

在技术方法上，研究主要采用以下策略：其一，样本来自Baylor St. Luke’s Hospital癫痫监测病房的19例药物难治性癫痫患者，进行颅内深部电极与微丝电极同步记录；其二，采用WaveClus进行单单位分选，并结合不应期与波形稳定性进行人工质控；其三，使用ORCA（Oscillatory ReConstruction Algorithm，振荡重建算法）对1–30 Hz范围LFP进行数据驱动的自适应频谱分解，提取瞬时频率与瞬时相位；其四，采用Kolmogorov–Smirnov（KS）检验结合置换检验评估频率调谐，采用Rayleigh检验评估相位调谐，并辅以分半稳定性分析、保留ISI（inter-spike interval，峰间间隔）的打乱分析及振幅分层分析进行稳健性验证。

在研究结果部分，论文首先报告了总体记录覆盖与分析框架。研究人员在19例患者中获得84个宏电极LFP信号和357个单单位，覆盖多个边缘叶与额叶相关脑区。为避免经典频段划分造成偏差，研究采用ORCA进行自适应分解。结果显示，该方法较传统固定频段法具有更高信号重建拟合度，说明其更适合捕捉人体LFP中随时间变化的频谱成分，并为后续瞬时频率和相位分析提供基础。

在“小部分人类单神经元表现出相位调谐”这一部分中，研究人员发现54/357个神经元存在显著相位调谐，比例为15%。进一步分析显示，这些神经元的偏好相位并非均匀分布，而是多集中于振荡峰值或谷值附近，其中更多神经元偏好谷值附近。前扣带皮层中这种相位聚集尤为显著。研究还通过Watson-Williams检验证明，大多数相位调谐并非由非正弦波形导致的伪效应，而具有真实生理意义。结果支持低频振荡特定相位可塑造神经元兴奋窗口的观点。

在“另一部分人类单神经元表现出频率调谐”这一部分中，研究人员以KS检验比较神经元放电时刻的瞬时频率分布与全时段频率分布，发现27/357个神经元，即8%，存在显著频率调谐。典型表现为某些神经元在较慢频率阶段放电增多，而在较快频率阶段放电减少。通过保留ISI结构的尖峰时间打乱，19个频率调谐神经元仍保持显著；分半分析亦显示偏好频率高度稳定，说明该现象并非放电率缓慢漂移或随机波动所致。进一步频率密度差异分析归纳出三类模式：仅增强型、增强与抑制并存型、仅抑制型，其中以双向调制最常见。

在“频率调谐反映精细频率偏好，而非简单依赖背景频谱占优成分”这一部分中，研究人员比较了放电增强对应频率与LFP中r²最大频率，发现二者总体并无显著差异，但也并非完全重合，提示神经元常在主导低频附近进行更精细的频率选择。调谐带宽Δf从0.2 Hz到4.3 Hz不等，中位数为1 Hz，显示频率调谐具有较高频谱分辨率。与此同时，放电减少对应频率与LFP中最少见频率显著不同，排除了频率调谐只是对稀有频率被动响应的解释。研究还发现频率调谐并不依赖高振幅振荡，在低振幅状态下亦可存在。

在“跨神经元与跨脑区的频率和相位调谐总结”部分中，研究人员汇总发现频率调谐几乎全部集中于<10 Hz，而尽管所有电极都可检测到>10 Hz振荡，却未观察到该范围内的频率调谐神经元。相位调谐偏好总体倾向于谷值附近，但总体聚集未达显著。不同脑区中均可见频率调谐与相位调谐神经元，卡方检验未见显著脑区偏好，提示这两类现象是跨区域普遍存在的神经动力学特征。

在“相位调谐与频率调谐是相互独立的现象”这一部分中，研究人员指出两类调谐在患者和记录位点中均分布广泛，但仅3/357个神经元同时具备相位和频率调谐，重叠极低。进一步以瞬时频率抖动指标|ΔIF|评估频率波动是否妨碍相位估计，结果显示高、低波动状态下的相位锁定强度无显著差异，说明二者分离并非方法学偏差。与未调谐神经元相比，调谐神经元总体放电率无显著差异，且总体呈非爆发式规则放电，表明观察到的调谐效应并非由基线放电率或爆发放电驱动。

在“低频LFP振荡活动驱动相位调谐和频率调谐”这一部分中，研究人员从ORCA分解结果出发，显示多数记录仅需2或3个数据驱动频带即可较好重建信号，且是否出现调谐与分解频带数或带宽无显著关系。跨脑区汇总后，海马、内嗅皮层和前扣带皮层的主导活动多位于δ-θ范围，即1–4 Hz。全部LFP中，低频振荡占1–30 Hz活动的60%–85%，而90%的相位调谐或频率调谐神经元也位于<10 Hz范围内，进一步表明慢振荡是调制人类单神经元放电的主要节律背景。

讨论部分指出，本研究首次在人类多脑区单神经元记录中直接证明，LFP瞬时频率能够调制神经元放电，并与传统相位调谐共同构成两种相互独立的放电调控机制。相位调谐与既往人类和动物研究一致，主要分布在低频范围并倾向谷值附近；频率调谐则提示神经元对慢振荡的瞬时频率具有选择性响应，这与频率滑移（frequency-sliding）和神经元共振（resonance）理论相呼应。研究同时强调，所观察到的频率调谐并不是简单追踪最常见频率成分，而是在低频主导背景上表现出的精细频率选择。ORCA这一非经典、数据驱动的分解方法，则提高了对人类脑振荡变异性的捕捉能力，避免预设频段带来的偏差。研究还指出，静息态下已可观察到相位与频率调谐，说明内源性振荡动力学本身即可构成神经元兴奋性的时间结构支架。

研究结论部分可译为：研究证明，人类单神经元放电会受到局部场电位瞬时频率的调制，许多神经元在不同频带内表现出放电增强或抑制。这些效应存在于多个脑区，并体现为精细的、频率选择性的调制，而非对最常见振荡成分的简单追踪。研究结果提示，频率调谐可作为相位调谐之外的补充维度，共同塑造神经元兴奋性并引导回路层级计算。