最先进的脑记录技术揭示神经元如何产生共鸣

几十年来，科学家们一直专注于大脑如何以分层的方式处理信息，不同的脑区专门负责不同的任务。然而，这些区域如何相互沟通和整合信息以形成一个连贯的整体，仍是一个未解之谜。现在，加州大学圣地亚哥分校医学院的研究人员通过观察人们在阅读时神经元在大脑中的同步情况，使我们更接近解决这一问题。相关研究结果发表在《自然·人类行为》杂志上，也是加州大学圣地亚哥分校医学院博士生雅各布·加勒特（Jacob Garrett）论文的基础。

“大脑活动如何与意识的主观体验相关联，是现代神经科学中一个根本未解决的问题，”该研究的高级作者、加州大学圣地亚哥分校医学院神经科学和放射学系教授埃里克·哈尔格伦（Eric Halgren）博士说。“如果你想想在阅读文本时发生了什么，大脑中的某些东西必须将这一系列的线条转化为单词，并将其与想法或对象联系起来。我们的研究结果支持这样一种理论，即这是由大脑许多不同区域同步激活来完成的。”

这种不同脑区的同步现象被称为“协同波动”，它对于将不同信息片段结合在一起以形成连贯整体至关重要。在啮齿类动物中，协同波动已在海马体中观察到，海马体是大脑编码记忆的部分。在人类中，哈尔格伦和他的同事先前曾观察到，协同波动也发生在整个大脑皮层。

为了从机制层面研究协同波动，加州大学圣地亚哥分校医学院医学科学家培训计划的医学博士/哲学博士候选人伊利亚·维尔日宾斯基（Ilya Verzhbinsky）在哈尔格伦的实验室完成了他的研究，并领导了一项发表在《美国国家科学院院刊》上的研究，该研究观察了在波动过程中不同皮层区域单个神经元发放的情况。本研究以更广阔的视角观察了这一现象，询问皮层中数十亿神经元如何协调这种发放以处理信息。

“皮层中有160亿个神经元——是地球上人口数量的两倍，”哈尔格伦说。“就像一个大合唱需要组织才能听起来像一个整体一样，我们的大脑神经元也需要协调才能产生一个想法或动作。协同波动就像神经元在音调和节奏上演唱，使我们能够整合信息并理解世界。除非它们协同波动，否则这些神经元几乎不会对彼此产生影响，但一旦波动出现，皮层中大约三分之二的神经元对就会同步。我们对这种效果的强大程度感到惊讶。”

由于无创脑扫描的局限性，在人类中观察皮层中的协同波动一直很困难。为了解决这个问题，研究人员使用了一种称为颅内脑电图（EEG）扫描的方法，该方法从颅骨内部测量大脑的电活动。研究小组研究了一组13名患有耐药性癫痫的患者，他们已经在接受EEG监测作为治疗的一部分。这提供了一个比使用无创方法进行的典型脑扫描更深入研究大脑活动的机会。

向参与者展示了一系列动物名称，其中穿插着随机辅音字母串或乱码字体，然后要求他们按下按钮以指示他们看到的动物名称。研究人员在这些测试中观察到了认知的三个阶段：皮层视觉区域的初步分层阶段，参与者可以看到单词但没有意识到它的含义；第二个阶段是将这些信息通过协同波动“播种”到参与更复杂认知功能的其他皮层区域；以及最后一个阶段，再次通过协同波动，皮层中的信息被整合为有意识的知识和行为反应——按下按钮。

研究人员发现，在整个练习过程中，参与这些认知阶段的大脑各部分之间发生了协同波动，但当参与者阅读真实单词时，波动更为强烈。

这项研究的发现对神经和精神疾病（如精神分裂症）的治疗具有潜在的长期影响，这些疾病的特点是这些信息整合过程的中断。

“如果我们能更好地理解在典型、健康情况下大脑是如何整合的，那么在这些疾病患者中找到重新整合大脑的方法就会更容易，”哈尔格伦补充道。

更广泛地来说，这项研究的发现对我们理解大脑功能与人类经验之间的联系具有重要意义。

“这是人类存在的一个基本问题，触及了心灵与大脑之间关系的核心，”哈尔格伦说。“通过了解我们大脑中的神经元如何协同工作，我们可以对意识本身的性质产生新的见解。”

该研究的其他合著者包括加州大学圣地亚哥分校医学院的埃里克·卡斯特纳、威斯康星医学院的查德·卡尔森、纽约大学朗格尼医学院的沃纳·K·道尔和奥林·德维斯基，以及盖塞尔医学院的托马斯·塞森。