《Cerebral Cortex》上一項新的開放獲取研究表明，當動物玩工作記憶游戲時，它們正在記憶的信息通過所有參與的神經元的潛在電活動產生的電場在兩個關鍵的大腦區(qū)域協(xié)調。反過來，電場似乎驅動了神經活動，或者是細胞膜上明顯的電壓波動。
大腦的“回路"隱喻是不爭議的，因為它是熟悉的:神經元形成直接的物理連接，以創(chuàng)建功能網絡，例如存儲記憶或產生思想。但這個比喻也是不完整的。是什么驅使這些電路和網絡走到一起?新的證據表明，這種協(xié)調至少有一部分來自電場。
該研究的作者說，如果神經元是管弦樂隊中的音樂家，那么大腦區(qū)域就是他們的部分，記憶就是他們演奏的音樂，那么電場就是導體。
這種盛行的電場影響組成神經元的膜電壓的物理機制被稱為“觸感耦合"。這些膜電壓是大腦活動的基礎。當它們越過一個閾值時，神經元就會“尖峰"，通過稱為突觸的連接發(fā)送電信號，向其他神經元發(fā)出信號。但研究的資深作者、麻省理工學院腦與認知科學系的皮考爾教授Earl K. Miller說，任何數量的電活動都可能導致一個普遍存在的電場，而電場也會影響尖峰。
Miller說:“許多皮質神經元在尖峰的邊緣徘徊了很長時間。它們周圍電場的變化可以將它們推向不同的方向。很難想象進化不利用這一點。"
倫敦城市大學副教授、Picower學習與記憶研究所研究員Dimitris Pinotsis說，這項新研究特別表明，電場驅動神經元網絡的電活動，以產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(tǒng)理論和數學紙筆計算，我們預測大腦的電場引導神經元產生記憶，"Pinotsis說?！拔覀兊膶嶒灁祿徒y(tǒng)計分析支持這一預測。這是數學和物理如何揭示大腦領域以及它們如何為構建腦機接口(BCI)設備提供見解的一個例子。"
領域盛行
在2022年的一項研究中，Miller和Pinotsis開發(fā)了一種由神經電活動產生的電場的生物物理模型。他們發(fā)現，與單個神經元的電活動相比，從大腦區(qū)域的神經元群中產生的整體磁場更可靠、更穩(wěn)定地代表了動物用來 工作記憶游戲的信息。神經元是一種變化無常的裝置，其變化無常會產生一種被稱為“表征漂移"的信息不一致。在今年早些時候的一篇觀點文章中，科學家們還假設，除了神經元，電場還影響大腦的分子結構及其調節(jié)，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，詢問觸覺耦合是否將控制電場擴散到多個大腦區(qū)域，形成一個記憶網絡，或“印痕"。
因此，他們擴大了分析范圍，研究了大腦中的兩個區(qū)域:額眼區(qū)(FEF)和輔助眼區(qū)(SEF)。這兩個區(qū)域控制著眼睛的自主運動，與動物們正在玩的工作記憶游戲有關，因為在每一輪中，動物們都會在屏幕上看到一個圖像，它位于中心的某個角度(就像時鐘上的數字)。在短暫的延遲之后，他們不得不朝那個物體剛才所在的方向看。
當動物玩耍時，科學家們記錄下了每個區(qū)域幾十個神經元產生的局部場電位(LFPs，一種局部電活動的測量方法)?？茖W家們將記錄的LFP數據輸入數學模型，預測個體神經活動和整體電場。
這些模型使Pinotsis和Miller能夠計算出電場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的變化。為了進行分析，他們使用了一種叫做格蘭杰因果關系的數學方法。毫無疑問，這一分析表明，在每個區(qū)域，磁場對神經活動有很強的因果影響，而不是相反。與去年的研究一致，分析還表明，對磁場的影響強度的測量比對神經活動的測量要穩(wěn)定得多，這表明磁場更可靠。
研究人員隨后檢查了兩個大腦區(qū)域之間的因果關系，發(fā)現電場，而不是神經活動，可靠地代表了FEF和SEF之間的信息傳遞。更具體地說，他們發(fā)現轉移通常從FEF流向SEF，這與之前關于兩個區(qū)域如何相互作用的研究一致。FEF傾向于引導眼球運動。
最后，Pinotsis和Miller使用了另一種稱為表示相似性分析的數學技術來確定這兩個區(qū)域是否實際上在處理相同的記憶。他們發(fā)現，電場，而不是LFPs或神經活動，在兩個區(qū)域代表相同的信息，將它們統(tǒng)一成一個印痕記憶網絡。
進一步的臨床意義
考慮到有證據表明電場來自神經電活動，但隨后又驅動神經活動來表示信息，Miller推測，也許單個神經元的電活動的一個功能是產生然后控制它們的電場。
Miller說:“這是一條雙向的道路?！凹夥搴屯挥|非常重要。這是基礎。但隨后磁場會反過來影響峰值。"
他說，這可能對心理健康治療有重要的意義，因為神經元是否以及何時會產生脈沖會影響它們連接的強度，從而影響它們形成的回路的功能，這種現象被稱為突觸可塑性。
Miller指出，諸如經顱電刺激(TES)等臨床技術可以改變大腦電場。如果電場不僅能反映神經活動，還能積極塑造神經活動，那么TES技術就可以用來改變神經回路。他說，適當設計的電場操作有一天可以幫助病人重新連接故障的電路。
