研究人员首次证实，通过非入侵测量手段测量大脑快速电磁震荡，能够展示大脑对相继刺激的显著反应变异（不同的行），相继动作电位持续时间（纵向条纹的蓝色或红色改变）和电位强度（颜色深度）均存在变异。 （图片来源：Charité, Gunnar Waterstraat）
大脑处理信息时既用到慢速电流也用到快速电流。直到现在，研究人员仍然需使用植入大脑的电极才能测量快速电流。柏林Charité医科大学（Charité - Universit?tsmedizin Berlin）和德国联邦物理研究院（Physikalisch-Technische Bundesanstalt，PTB）的研究人员首次成功地在脑外获得大脑快速电流信号，并实现电流信号可视化，并且他们发现大脑快速电流具有令人惊讶的变异程度。发表在《美国国家科学院院刊》（PNAS）的论文提及他们使用了一种非常灵敏的脑磁图（magnetoencephalography）装置来实现这一壮举。
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大脑中信息处理是身体最为复杂的处理过程之一。大脑信息处理障碍经常会导致严重的神经功能紊乱。因此，研究大脑内信号传递过程是理解无数神经疾病的关键。然而，从方法论的角度来看，这为许多研究人员创造了巨大挑战。人们希望能够无需向大脑内部植入电极来观察大脑神经细胞“灵光乍现”的活动，由此催生出两种高时间分辨率的技术：脑电图和脑磁图。脑电图和脑磁图都能在颅外实现大脑活动可视化。但事实是，只有测试慢速电流时才能得到可靠的结果而快速电流的结果不尽人意。
神经细胞接受其他神经细胞的信号后产生慢速电流（又名为突触后电位）。随后神经脉冲爆发，产生仅仅持续一毫秒快速电流，将信息传递到下游的神经元或肌肉。这种电流也名为动作电位。Benjamin Franklin 校区实验神经学Charité神经学系的博士Gunnar Waterstraat解释说：“直到目前，我们只能够观察神经元接受信息的时刻，却不能看到神经元对单个感觉刺激产生反应后传送信号的过程。甚至可以说，我们事实上瞎了一只眼。”在PTB的Waterstraat博士和Rainer K?rber博士带领下，研究团队如今奠定了基础，有助改善研究局面。该跨学科的研究团队成功提高了脑磁图的敏感度，甚至使其能够检测单个感觉刺激产生的快速大脑电磁震荡。
他们显著地减少了脑磁图装置本身的系统噪声，成功提高了灵敏度。K?rber博士解释说：“脑磁图装置内部的磁场传感器浸没在液氦中，并冷却到-269℃（4.2K）。为了实现这一点，冷却系统需要复杂的隔热装置。原有的超级隔热装置包含了会产生磁场噪声的铝包裹薄片，因此会屏蔽微小的磁场，比如与神经细胞相关的。我们现在改变了超级隔热装置的设计，这样就能保证不再采集到磁场噪声。通过这样做，我们努力地将脑磁图技术的灵敏性提高了十倍。”
研究人员使用了一个手臂神经刺激的例子，表明新设备的确能检测大脑的快速电磁波。在四个健康研究对象的研究部分中，研究人员用电刺激手腕一条特殊的神经，同时立即将脑磁图传感器放置于大脑负责处理手部感觉刺激的区域之上。为了减少外界的干扰源，例如电网和电子组件，测量均在PTB的一间电磁屏蔽记录室完成。研究人员发现，通过这些方式，他们能够检测大脑皮层中对单个刺激产生反应的一小群被同时激活的神经元。
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Waterstraat博士说：“这是第一次，我们能够使用一种非入侵的方法，观察大脑神经细胞对单个感觉刺激作出反应后发送信息的过程。有一个有趣的发现，事实上这些快速的大脑电磁震荡性质并不相同，而是会随着每个刺激发生改变。这些改变的发生独立于大脑慢速信号。尽管每次使用的刺激是相同的，但是大脑处理手部触觉信息的方式存在巨大的变异度。”
事实上，研究人员如今能比较刺激产生的每个反应，这开启了全新的道路，有望帮助神经学研究人员探究一直悬而未决的问题：一些因素例如警觉和疲惫对大脑信息处理的影响程度有多大？同时接受的额外刺激对大脑的影响程度又有多大？高灵敏度的脑磁图系统可能帮助科学家加深对神经功能紊乱的理解并开发出更好的疗法。癫痫和帕金森病是大脑快速信号紊乱相关的病例。Waterstraat博士说：“多亏了调校后的脑磁图技术，神经科学工具箱又增添了一个关键的新工具，使得我们能够以非入侵的方法应付所有的这些问题。”
翻译：陈振翀
审校：张哲
引进来源：德国联邦物理研究院
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