圖片來源：Mosher et al./Cell Reports動圖截圖
當心臟跳動時，大腦就會抖動。現在，研究人員發現了一種利用這一運動來更好地研究不同類型神經元之間差異的方法。在3月10日的《細胞報告》雜誌上發表的一項研究中，研究人員發現，通過分析神經元在一次心跳中記錄的波形變化，可以更準確地對人類大腦中不同類型的神經元進行分類。他們表示，這項工作可以幫助我們更好地理解大腦中不同類型的細胞是如何相互作用產生認知和行為的。
「我們正在記錄植入有神經外科手術電極的人類患者大腦的神經元，並且將神經活動與心跳活動對比，發現每次心跳時許多神經元都會改變其放電方式。」西奈醫學中心的Clayton Mosher說，他與艾倫研究所與Yina Wei同為研究報告的第一作者。「我們當時想，'好吧。這令人驚訝！'」
但當研究小組進一步放大時，他們意識到神經元並沒有以不同的方式放電；相反，大腦在抖動。每一次心跳，大腦都跟著抖動，以及神經元在頭骨內的位置都會發生輕微的改變。科學家們估計，在一次心跳中，神經元的移動幅度約為3微米，比一根頭髮的寬度還小。這種運動產生了神經元放電的差異。
「我們從許多人認為是大腦運動而不是神經活動的結果開始。他們認為這是嘈雜的。他們認為這是他們實驗的局限性。」艾倫研究所、這項研究的資深作者Costas Anastassiou以及Cedars-Sinai醫學中心的Ueli Rutishauser說。「我們能夠證明的是，如果以一種聰明的方式利用它，大腦的這種自然發生的運動可以告訴我們更多關於我們所記錄的細胞的信息。這是因為測量來自大腦不同位置的同一個神經元的活動提供了關於神經元的額外信息。」
傳統上，科學家是根據神經元的波形來對其進行分類的，波形是每個神經元在「尖峰」時，即每次激活時所發出的特有的電活動模式。每個神經元的波形形狀不同。通過檢測波形的寬度，科學家可以準確地將神經元分為兩類：窄型和寬型。
現在，由心跳引起的微小的大腦運動使科學家能夠更準確地測量波形形狀。當神經元與電極之間的距離改變時，測量到的波形也會改變。通過測量這些變化，研究小組發現它們可以區分人類海馬體中三種不同類型的神經元:窄峰(NS)、寬峰1 (BS1)和寬峰2 (BS2)。每一類神經元都有不同的放電特性:研究人員發現BS1神經元的活動與伽瑪波相協調，而BS2神經元的活動與theta波相協調。
「伽馬波和theta波是大腦中與認知高度相關的活動模式。例如，我們知道，記憶和學習與振蕩是緊密相連的。我們知道，注意力與伽馬射線振蕩密切相關。」
「歸根結底，要了解大腦的工作原理，我們需要了解大腦中存在哪些不同類型的細胞，以及這些細胞類別如何相互作用以產生認知和行為。」他說，「人們需要能夠跨越各種尺度，才能了解微觀世界是如何引起宏觀世界中發生這種行為現象的。我們的工作首次揭示了如何在人類大腦的尺度之間建立起這樣一座橋梁。 」
神經科學面臨的挑戰之一是，神經元在活人身上的表現，與單獨研究大腦切片時的表現，往往存在差異。通過對人類腦組織的記錄，研究人員能夠建立單細胞模型來模擬真實神經元的生物物理特徵和形態。該模型將活體大腦和體外大腦切片記錄連接起來，作為一種新的神經元分類工具。人類神經元的計算模型可以用來更好地理解我們從植入電極的活人身上記錄的信號。
「最終，我們想要了解的是，第一，人類大腦中不同類型的神經元是如何對認知和行為做出貢獻的。」 Mosher說，「第二個目標是研究心跳和呼吸如何反過來影響行為或認知。」