研究揭示了脑电波频率的普遍模式

在整个大脑皮层中，神经元排列成六个不同的层，用显微镜可以很容易地看到。麻省理工学院和范德比尔特大学的神经科学家团队现在发现，这些层也显示出独特的电活动模式，这些模式在许多大脑区域和包括人类在内的几种动物物种中是一致的。

研究人员发现，在最顶层，神经元活动由称为伽马波的快速振荡主导。在更深的层中，称为α波和β波的较慢振荡占主导地位。研究人员说，这些模式的普遍性表明，这些振荡可能在整个大脑中发挥着重要作用。

“当你看到整个皮层中一致且无处不在的东西时，它在皮层的作用中起着非常重要的作用，”皮考尔神经科学教授厄尔米勒说，他是麻省理工学院皮考尔学习与记忆研究所的成员，也是这项新研究的资深作者之一。

研究人员说，这些振荡相互作用的不平衡可能与注意力缺陷多动障碍等脑部疾病有关。

“众所周知，过度同步的神经活动在癫痫中起作用，现在我们怀疑不同的同步病理可能导致许多脑部疾病，包括感知、注意力、记忆和运动控制障碍。在管弦乐队中，一种乐器与其他乐器不同步演奏会破坏整首音乐的连贯性，“麻省理工学院麦戈文脑研究所所长、该研究的资深作者之一罗伯特·德西蒙说。

范德比尔特大学心理学助理教授安德烈·巴斯托斯（André Bastos）也是这篇开放获取论文的资深作者，该论文今天发表在 《自然神经科学》上。该论文的主要作者是麻省理工学院研究科学家迭戈·门多萨-哈利迪和麻省理工学院博士后亚历克斯·梅杰。

活动层

人脑包含数十亿个神经元，每个神经元都有自己的电放电模式。具有相似模式的神经元组共同产生电活动或脑电波的振荡，它们可以具有不同的频率。米勒的实验室此前已经表明，高频伽马节律与编码和检索感觉信息有关，而低频β节律则作为一种控制机制，决定从工作记忆中读出哪些信息。

他的实验室还发现，在前额叶皮层的某些部位，不同的大脑层显示出独特的振荡模式：表面振荡较快，深层振荡较慢。巴斯托斯在米勒实验室做博士后时领导的一项研究表明，当动物执行工作记忆任务时，在更深层产生的低频节律调节了表层中产生的高频伽马节律。

除了工作记忆外，大脑皮层也是思想、计划以及情绪和感官信息的高级处理的所在地。在涉及这些功能的区域中，神经元排列成六层，每一层都有自己独特的细胞类型组合以及与其他大脑区域的联系。

“皮层在解剖学上分为六层，无论你是看老鼠、人类还是任何哺乳动物物种，这种模式存在于每个物种的所有皮层区域，”门多萨-哈利迪说。“不幸的是，许多关于大脑活动的研究都忽略了这些层，因为当你记录神经元的活动时，很难理解它们在这些层的背景下的位置。

在这篇新论文中，研究人员想探索他们在前额叶皮层中看到的分层振荡模式是否更广泛，发生在皮层的不同部位和物种之间。

利用在米勒实验室、德西蒙实验室以及范德比尔特大学、荷兰神经科学研究所和西安大略大学合作者实验室获得的数据，研究人员能够分析来自四种哺乳动物的皮层的14个不同区域。这些数据包括三名人类患者的电活动记录，这些患者在大脑中插入了电极，这是他们正在进行的外科手术的一部分。

过去，从单个皮质层进行记录一直很困难，因为每层的厚度都不到一毫米，因此很难知道电极是从哪一层记录的。在这项研究中，使用特殊的电极记录电活动，这些电极一次记录所有层，然后将数据输入作者设计的新计算算法，称为FLIP（基于频率的层识别程序）。该算法可以确定每个信号来自哪一层。

“最近的技术允许同时记录所有皮层。这描绘了微电路的更广阔的视角，并使我们能够观察到这种分层模式，“Major说。“这项工作令人兴奋，因为它既提供了基本微电路模式的信息，又为研究大脑提供了一种强大的新技术。大脑是在执行任务还是在休息时都没有关系，可以在短短 5 到 10 秒内观察到。

在所有物种中，在所研究的每个区域，研究人员都发现了相同的分层活动模式。

“我们对所有数据进行了大规模分析，看看我们是否能在大脑皮层的所有区域找到相同的模式，瞧，它无处不在。这是一个真实的迹象，表明以前在几个区域看到的东西代表了整个皮层的基本机制，“Mendoza-Halliday说。

保持平衡

这些发现支持了米勒实验室之前提出的一个模型，该模型提出，大脑的空间组织有助于它将高频振荡携带的新信息整合到现有的记忆和大脑过程中，这些记忆和大脑过程由低频振荡维持。当信息从一层传递到另一层时，可以根据需要合并输入，以帮助大脑执行特定任务，例如烘焙新的饼干配方或记住电话号码。

“正如我们观察到的那样，这些频率的层流分离的结果可能是允许表层以更快的频率表示外部感觉信息，而深层以较慢的频率表示内部认知状态，”巴斯托斯说。“高层次的含义是，皮层具有多种机制，涉及解剖学和振荡，以将’外部’信息与’内部’信息分开。

根据这一理论，高频和低频振荡之间的不平衡会导致注意力缺陷，例如多动症，当高频占主导地位并且过多的感觉信息进入时，或者导致妄想症，例如精神分裂症，当低频振荡太强并且没有足够的感觉信息进入时。

“自上而下的控制信号和自下而上的感觉信号之间的适当平衡对于大脑皮层所做的一切都很重要，”米勒说。“当平衡出错时，你会得到各种各样的神经精神疾病。

研究人员现在正在探索测量这些振荡是否有助于诊断这些类型的疾病。研究人员说，他们还在研究重新平衡振荡是否会改变行为 – 这种方法有朝一日可以用于治疗注意力缺陷或其他神经系统疾病。

研究人员还希望与其他实验室合作，更详细地表征不同大脑区域的分层振荡模式。

“我们希望，有了足够多的标准化报告，我们将开始看到不同领域或功能的共同活动模式，这可能会揭示一种通用的计算机制，可用于运动输出、视觉、记忆和注意力等，”门多萨-哈利迪说。

该研究由美国海军研究办公室、美国国立卫生研究院、美国国家眼科研究所、美国国家心理健康研究所、皮考尔研究所、西蒙斯社会脑博士后奖学金中心和加拿大卫生研究院博士后奖学金资助。