探索大脑皮层中的电波

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图片来源： Joshua Jacobs /Columbia Engineering

神经活动在广泛分布的大脑网络中的协调对人类认知能力至关重要。长期以来，研究人员一直认为，大脑中的电波震荡(通常用于研究脑-机接口和临床测试等)是平稳信号，在不同的大脑区域中是独立产生的。近日，哥伦比亚工程学院的生物医学工程师发现了大脑电波震荡的一个新的基本特征：它们在大脑中其实是有节奏地传播，能反映出在大脑皮层上传播的神经活动模式。这项研究刚刚发表在《Neuron》上。

生物医学工程助理教授，研究通讯作者Joshua Jacobs说：“我们还发现，如果受测对象在完成工作记忆的任务表现良好时，那么他们大脑中传播的电波就更稳定。这意味着，传播的电波对于记忆和认知是非常重要的。我们的发现表明，这些电波震荡对于人类大脑中的大规模协作来说是一种非常重要的机制。”

Jacobs的团队对77位癫痫患者的直接大脑记录数据进行了研究。这些患者大脑中的大范围区域都分布了用于监测癫痫的电极，以便绘制癫痫发作地图。在研究中，受测患者们需要完成一项记忆任务。在分析这些患者大脑记录的时候，研究人员发现，患者大脑区域中出现了与认知功能有关的θ和α震荡，频率在2至15Hz之间。这些震荡表明，这个区域中的神经元有节奏地被激活以支持认知功能，但是这些神经元起到的具体作用尚不明确。

在活跃的大脑中波传播的平均方向。视频来源： Joshua Jacobs /Columbia Engineering

研究团队使用两种新方法对数据进行分析。首先，他们通过多个电极同时测量各个区域的脑电波震荡，而不是使用传统方法对不同大脑区域分别进行脑电波测量。之后，他们开发出一种新型分析框架，使他们能够对每个行波的瞬间活动进行测量。通过这种方法，他们发现，大脑震荡的电波其实是以0.25-0.75m/s的速度在大脑皮层中传播的行波。

Jacobs实验室的博士后Honghui Zhang是该研究的第一作者，他说：“行波与行为相关，因为行波的传播与任务事件之间存在相关性，受测者在任务中表现越好，这种脑电波就越稳定。”

这项研究表明，大脑利用神经元震荡在大脑的不同区域中传播信息，通过组织不同时间和空间中的神经过程，行波在支持大脑连通方面起到重要作用。

当受测者进行记忆任务时，研究人员在受测者大脑表面观察到的行波。视频来源：Joshua Jacobs /Columbia Engineering

Jacobs 说：“我们的研究表明，当我们记录大脑电波震荡时，大脑不同区域是进行神经活动交流的。所以，除了为大脑连接和记忆的基础研究开辟新的方向外，我们的研究还表明，临床医生们可以通过测量行波模式的方法来判断患者的大脑连通性。行波就像海浪一样，在大脑皮层表面传播，这种新型信号还可被用于脑-机接口。”

美国国立卫生研究院功能和恢复性神经外科部门的研究人员Kareem Zaghloul说：“这项研究非常精彩。关于行波的研究为大脑研究提供了新的方向，因为它使我们现在不仅考虑大脑代表的是什么，还可以研究信息是如何在大脑中传播的。”

Jacobs团队正在探索行波是如何与其他行为产生相关性的，包括空间导航和长期记忆。他的团队也正在开发新方法来测试其他类型的大脑电波震荡（比如频率更快的电波）是否也有和行波一样的行为。

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