MIT最新研究!腦電波的「拉鋸戰」決定了信息如何在大腦中流動

2020-12-26 騰訊網

為了產生思想和行動，大腦在表層的一系列區域中處理信息，從對傳入的感覺進行基本分析的「較低」區域，到使用新知識制定計劃的「較高」執行區域。

在一項新的研究中，麻省理工學院的神經科學家試圖解釋這個組織出現的兩大趨勢：在三個不同的大腦區域中，信息編碼或抑制都與特定腦電波頻帶之間的拉鋸戰有關，並且層次結構中地位越高的區域，在每個頻帶中其波的峰值頻率越高。

通過對動物三個皮層區域中數千個神經元和周圍電場的測量和分析，近期，該小組在《認知神經科學雜誌》上的新研究 提供了關於腦波如何振蕩的統一觀點，腦波是腦細胞活動的振蕩方式，可以控制大腦皮層的信息流。

Picower學習與記憶研究所神經科學教授，Earl Miller。圖源：MIT官網

Picower學習與記憶研究所的神經科學教授，高級作者Earl Miller說：「之前的研究，都是以不同的方式在不同的實驗中被發現的。我們想獲得一個全貌，這就是我們所做的。我們解決了整個皮質看起來像什麼的問題。」

斯德哥爾摩大學和麻省理工學院的共同第一作者Mikael Lundqvist補充說：「許多研究已經研究了特定頻率的相位在皮層區域之間的同步程度。它已經成為一個領域，因為同步會影響區域之間的通信。但更重要的可能是，如果區域之間以不同的頻率進行通信，我們發現跨區域的首選頻率發生了系統性的變化，這可能是由早期的研究拼湊而成的，但之前並沒有直接的證明。這是一個簡單但可能非常基礎的觀察結果。」

論文的另一第一作者，學習與記憶研究所博士後Andre Bastos。圖源：MIT官網

為了進行觀察，研究小組給了動物一項任務，即正確區分它們剛剛看到的圖像——這是一個簡單的視覺工作記憶技巧。當動物們玩這個遊戲時，科學家們測量了每隻動物大腦皮層層次的底部、中部和頂部三個區域（視覺皮層、頂葉皮層和前額葉皮層）的數百個神經元的尖峰活動。他們同時追蹤了這種活動產生的波。

他們發現，當對圖像進行編碼（首次顯示時）或重新調用圖像（測試工作記憶時）時，每個區域中，θ和γ波的功率會突然增加，α和β波的功率會減少。當必須牢記這些信息時，例如在第一次見到測試之間的這段時間裡，θ和γ波的功率下降，α和β波的功率突然爆發。

米勒說，不同腦電波之間的這種功能性「推/拉」序列已經在幾個獨立的區域顯示出來，包括運動皮層，但在同一任務過程中，並不經常在多個區域同時出現。

研究人員還觀察到，θ和γ波的爆發與編碼圖像信息的神經尖峰密切相關。同時，α和β波爆發與相同的尖峰活動呈反相關。

儘管這一規則在這三個區域都適用，但關鍵的區別是每個區域在每個頻帶內都有一個明顯的峰值。例如，視覺皮層β峰值為11 Hz，頂葉β峰值為15 Hz，前額β峰值為19 Hz。與此同時，視覺皮層的γ出現在65 Hz，頂葉的γ出現在72 Hz，前額葉的γ出現在80 Hz。

米勒說：「當你從大腦的後部移動到大腦的前部時，所有頻率都會變得更高。」

儘管研究中的兩個主要趨勢——頻帶之間的反比關係和每個頻帶內的系統峰值頻率上升——都得到了一致的觀察，並在統計上具有顯著意義，但它們只顯示出與功能有關，而不是因果關係。

研究人員表示，他們的研究結果與一種模型一致，即α和β交替抑制或釋放γ來控制信息編碼——一種自上而下控制感官活動的形式。

同時，他們假設峰值頻率在系統層次上的增加可以起到多種作用。例如，如果每個頻帶中的波都攜帶信息，則較高的區域將以更快的頻率進行採樣，從而對來自較低區域的原始輸入進行更細粒度的採樣。而且，更快的頻率更有效地將相同的頻率帶入其他區域，從而為較高的區域提供了控制較低區域活動的有效方法。

「振蕩節奏頻率的增加可能有助於塑造大腦皮層中的信息流。」作者強調。

原文地址：https://www.technologynetworks.com/neuroscience/news/brain-wave-tug-of-war-determines-how-information-flows-through-the-brain-340373

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