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大脑 “噪音”研究揭秘

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神经病学家 乔瑟夫-帕维兹(Josef Parvizi)和他的同事发现记忆有关的脑区可以协同活动,即使在睡眠状态下也是如此。编辑:诺伯特-范-德尔-格勒本(Norbert von der Groeben)

通过对脑电活动的直接纪录,斯坦福大学医学院的神经科学家们证明了有助记忆提取的不同脑区可以协调作用,即使在睡眠状态时也是如此。

这项研究结果发表在4月8号的《神经元》(《Neuron》)杂志上,它首次证实,在记忆提取过程中,各种大脑结构之间存在着协调的神经活动,这些特殊的脑电特点在整个睡眠觉醒周期都持续存在。该研究证实了之前使用脑成像技术进行间接观察的结果。研究人员同样阐释了为什么大脑会反常的(在休息时)耗费那么多的机体能量,乍一看好像汽车引擎的空转一般。

人的大脑是一个贪婪的器官。尽管只占了人体重量的2%,却消耗人体能量的20%。只有当我们停止一切体力或脑力活动时,大脑“豪饮”葡萄糖(大脑细胞依赖的燃料)的速率才有所收敛。即使在休息时,大脑似乎也进行了大量的电活动,以前这些电活动被神经科学家们称为是无用的“噪音”。

乔瑟夫-帕维兹(Josef Parvizi) 是医学与哲学双博士,也是神经与神经病学副教授和《神经元》杂志的高级作者。他说,“有意识的思考和行动时的脑电活动消耗的能量只是冰山一角,无意识状态下行动时,大脑也会进行大量的自发的电活动,而此时的能量消耗才是最大的那部分。

那么,这些自发的“噪音”有什么用呢?


休息,但不休止
过去几十年中,通过使用脑成像技术,比如功能 MRI扫描追踪大脑血流(这被认为可以体现局部神经活动),神经科学家们已经开始揭示这些自发神经噪音中所隐藏的脑电活动的形式。这个形式可能会为我们了解大脑的组织结构打开一扇窗。目前,简单的通过把具有相同特点的神经噪音活动的脑区分群,这些脑区或分散,或聚集,大量的神经网络已经被确认跟多种脑力活动有关,范围从解决数学问题到早饭的内容的回忆。当休息时,也就是说,当特定神经网络的特殊功能消失的时候,或者甚至当个体完全处于无意识状态,比如睡眠和麻醉状态中时,大量的专属的神经网络的节点似乎仍保持着共同的活动,尽管此时是以一个比较缓慢和浮动的速率来进行的。

但是,脑成像技术毕竟只是提供了不同脑区电活动的间接评估,批评者们认为,这种条件下的休息的神经网络活动可能是一个假象。另外,虽然功能MRI能够从全景上描绘大脑活动,局部的分辨率却并不完美。

帕维兹和他的同事直接提出了他们的忧虑和以“窃听”(eavesdropping)的方式来研究大脑不同的神经元活动的局限性。他们使用的方法被称为颅内电生理法,这种方法提供了毫秒和毫米水平的分辨率,可以让研究者们直接通过检查个体大脑来获得有意义的结果。

窥探大脑
颅内脑电的精确度是通过侵入性的医学操作直接对个体的脑电纪录得到的。受试对象是一些频发癫痫的病人,他们在斯坦福大学医院住院一周。住院期间,研究人员监控他们的大脑,用以观察特定区域(也就是那些癫痫复发的病灶,这些病灶在不同的病人位置不同)。

在一个持续数天的连续实验中,研究人员对这些病人中一个非常重要神经网络的两个关键节点的神经环路进行了同步观察。这个神经网络就是默认模式的神经网络(default mode network),这一系列广泛分布的结构要比大脑其余部位的神经网络消耗更多的能量。当人们闭上眼睛或者睁眼看着天花板安静的躺着时,或者进行自传式回忆的时候(比如,我今天早上吃了啥?),这些神经网络是最活跃的。而一旦当同一个人被要求进行其他特定的脑力任务的时候, (比如解方程式,32乘以5的结果是多少?),这些神经网络就会关闭。之前,帕维兹和他的同事首次使用直接大脑纪录证实了这个默认模式的神经网络的特性。

在现在的这个试验中,作为斯坦福人类脑内认知电生理学项目的主任,帕维兹招募了三个病人,两女一男。这些受试者理想的放置电极位置包括左侧大脑颞叶外面附近的角回,和在左侧颞叶的内面,两个大脑半球相互靠近的狭窄的空隙处的后扣带回皮质。人类的角回和后扣带回皮质被认为是默认模式神经网络的重要组成部分,这两个区域相距有几英寸,在神经病学里,这是相当大的一个距离了。

除了已经实施过的医学操作外,新的试验将不再进行更多的侵入性操作。使用颅内电生理学技术,当受试对象被要求思考一些在电脑上显示的有关过往的个人经历的问题时,比如,我今天早餐吃了香蕉(这需要自传式的回忆和默认模式脑区的参与),研究人员发现这两个相距遥远的脑区具有惊人的同步性。

研究的首席作者,帕维兹实验室博士后研究员,布雷特-福斯特(Brett Foster) 博士对此回应道 “(这两个脑区脑电反应)几乎没有时间差”。

此项技术局部的精确性使得研究人员们可以描述受试者对自传式回忆问题的反应顺序。首先,大脑视觉中心,其次,角回和后扣带回皮质,然后,大脑决策中心,最后将信息送至躯体运动区,对身体作出指令,使其按下面前电脑上“对”和“错”的按钮。

相同的活动形式
引人注目的是,病人执行自传式回忆任务时的默认神经网络区中协同的脑电活动形式,即使在他们休息或者睡觉的时候也依然存在。通过对白天闭眼休息和晚间睡眠的时候受试者的这些脑区脑电活动的纪录, 福斯特和帕维兹发现了其中的共同之处。然后,他们又提出,是否各种状态下的电活动形式也都是相同的呢?他们发现,在看似空转的大脑脑电“噪音”之下,其实是缓慢,漂移的脑电活动,在休息和睡眠时,此类脑电活动可与有效的记忆提取活动时的相当。重要的是,为了证明这些脑电活动形式与之前脑成像研究者们的得出的结果之间的关系,他们同时对这些患者进行了功能MRI扫描,并且证实,神经网络的电活动与血流情况紧密一致。

这些研究结果就使一个争议有了定论,即休息状态下,神经成像技术所观察到的协调的的脑区活动是真实的。但却也引起了另一个争论,既然能量消耗即使在睡眠时也不停歇,那么生物体此时能从这些大量的能量消耗中得到什么好处呢?帕维兹和福斯特推测这种现象可以让大脑内部结构保持相互联系,让自己随时准备进行下一步的动作。

听起来像是一种提醒,帕维兹说,(本研究中)与神经网络结构有关的结论,不应当让读者误解为我们的大脑像计算机一样。“我们的大脑可不仅仅是一堆1和0的组合。”


更多内容请见:"Intrinsicand Task-Dependent Coupling of Neuronal Population Activity in Human ParietalCortex" DOI:

斯坦福大学医学中心提供

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