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脑电波之谜困惑科学家百年,最新研究称其很重要

2018-07-0309:44:47来源:网易科技报道

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7月3日消息,我们称之为脑电波的电振荡已经让科学家和公众们着迷了一个多世纪。但是人们仍然存在争议的是,它们是否具有功能还是说只是像引擎的嗡嗡声一样仅仅代表着大脑的活动。许多神经科学家假设,如果脑电波具有功能,也是通过不同位置的同步振荡实现的。然而随着研究的不断深入,研究人员发现许多脑电波事实上是像海浪一样移动的“行进波”。

现在美国哥伦比亚大学的一个研究团队进行了一项最新研究,团队负责人神经系统科学家Joshua Jacobs提出,行进波在人类的皮质层中是很普遍的,而且会根据大脑执行任务的表现程度显示不同程度的组织性。这就表明,脑电波是与行为相关的,而且完全符合之前的研究。之前的研究提出,脑电波是重要但却被忽视的大脑机制,对记忆、知觉、注意力甚至是意识都有着影响。

脑电波最早是通过脑电图技术发现。研究人员已经留意到一系列不同频率的脑电波活动。最慢的脑电波出现在深度睡眠状态,而且随着意识和注意力水平的提高不断提升。破译脑电图数据是非常困难的,因为很难确定脑电波活动的位置,而且在大脑中的传递会让信号变得模糊。这项最新研究借助了一种名为脑皮层电图学(ECoG)的新技术。这项技术直接将电极放置在大脑表面,让信号扭曲最小化而且极大的提高了空间解析度。

科学家们已经提出了许多观点描述脑电波可能扮演的角色。一种主流理论认为,同步振荡将大脑不同位置的信息捆绑到一起来描述同一事件,比如说一个物体的不同特征(形状、色彩和运动等)。还有一种类似的观点认为它们能够促进不同区域间的信息传递。但是这些假设需要脑电波同步并且产生驻波,而不是行进波。

但这是不可能的,因为行进波有着不同的特性,它们有可能代表着其它大脑区域过去状态的信息。脑电波在大脑中的传播与声音在空气中的传播类似,这就使它们成为将信息在不同区域间传递的一种潜在机制。

这些观点已经存在了数十年时间,但是大部分神经系统科学家很少在意它们。一种可能的原因是在此之前大多数行进波的报告仅仅描述了这种波而没有确定它们的意义。索尔克生物研究所的神经系统科学家Terry Sejnowski称:“如果你询问一般的神经系统科学家的话,他们会说这是一种附带现象,就像引擎的一种嗡嗡声。而且由于从未有人将其直接与任何行为或者功能联系到一起,因此它并未被认为是一种重要的东西。”

研究人员所使用的研究工具或许也有一定的关系。现在的主流神经系统科学家借助针状微电极研究神经元行为时探索到脑电波的起源。这一领域的先驱者们在一项试验中留意到神经元发送脑电波的时间不同于其它神经元。他们推断这一时间必然是重要的,并且将多项实验的反应结合到一起获得了一个“平均脑电波发送率”。这也成为量化神经活动的标准方式,但是神经元的周期循环可能带来变异性,因此研究人员习惯性的忽视了揭露行进波所需要的时间信息。

Sejnowski称,这种概念框架来自于单一神经元的活动,但是大脑功能事实上是通过无数神经元的交互作用完成。由于行进波是由大脑中的许多神经元活动构成的,应用于单神经元的技术是探测不到它们的。但是在过去十年里出现的新技术已经能够让我们同时监测多个神经元。Sejnowski称:“这就为我们打开了另外一扇门。我们第一次有工具和技术了解其中真正发生的事情,但是想要被已经固化的神经系统科学领域所接受还需要一代人的努力。”

压敏着色等光学方法让研究人员能够同时看到数千神经元中的电变化,但是这些方法由于存在风险而无法应用在人类身上。脑皮层电图技术通常用在癫痫患者身上来检查癫痫疾病。因此进行这项最新研究的科学家招募了77位植入皮层脑电图电极的癫痫患者,并且对行进波进行探索。他们首先寻找以相同频率振动的电极群,然后通过分析振动的时间评估哪些电极群真正代表着行进波。

接下来研究团队给测试者一项记忆任务,并且当测试者被提示回想记忆信息时,他们额叶和颞叶的行进波变得更具组织性。这些脑电波从向各个方向前进转变成大多数方向一致。重要的是,这种趋势变化与他们的反应速度具有相关性。Jacobs称:“任务表现越好脑电波就更一致。这就表明我们发现了一种测量大脑活动的新方法,这项研究也有可能带来新的脑机接口技术。”

这些发现应当能够帮助一些研究人员消除对这种脑电波重要性的怀疑。比利时勒芬大学的一位心理学家David Alexander称:“这项研究对于皮层行进波的研究是一项巨大的贡献,增加了我们对它们在人类认知中扮演角色的了解。这项研究真的会让人们消除这些脑电波只是在头部传递的模糊信号的担忧。”但是他同时也认为,这篇研究论文的作者对这些发现的新奇性做出了不正当的判定,而且并未承认之前的一些研究。

他声称,之前对行进波的研究已经表明它们在记忆任务中能够被诱发。他指出2002年的一项脑电波研究已经发现 波方向逆转的时间与记忆表现有着相关性。有趣的是,他在2008年的一项脑电波研究中发现,已经出现一次精神分裂症的人们与健康个体相比,在记忆任务中,脑电波从前向后移动的数量更少。这就表明行进波表现的差异与精神症状之间存在关联。

他也宣称,研究团队评估行进波的方法类似于他在2016年一项研究中所使用的方法。Jacobs称:“Alexander的研究真的非常有趣,但是我们并不清楚他的研究发现是否与我们的研究涉及的是同一种信号。他的报告称涉及到整个大脑区域,而我们的发现仅局限于特定的区域。”他也指出,两项研究的信号记录技术和记录的信号特性之间也存在差异。

确定行进波的重要性为神经系统科学领域带来了新的方向。Jacobs称:“发现如此广泛的振荡源自于行进波,表明它们参与到大脑不同区域的协调活动。这些发现也为研究打开了新的研究领域,比如说让我们了解这种协调的构成等。”他认为行进波能够传递信息,至少目前的研究结论是这样的。

还有另外一个理论认为,行进波通过不断的在皮质层来回移动,调节神经元的敏感度,就好像在大脑虚拟信息处理区域穿梭的注意力探照灯。Sejnowski称:“行进波的概念与你如何维持皮质层对其它输入信息最敏感的状态有关。人们对于行进波的兴趣毫无疑问也将继续增长。你现在所看到的只是从一个概念框架向另外一种全新框架的转变。这是一种思考模式的转移。”

责任编辑:石宇(EN003)

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