探索大腦皮層中的電波

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圖片來源： Joshua Jacobs /Columbia Engineering

神經活動在廣泛分布的大腦網路中的協調對人類認知能力至關重要。長期以來，研究人員一直認為，大腦中的電波震蕩(通常用於研究腦-機介面和臨床測試等)是平穩信號，在不同的大腦區域中是獨立產生的。近日，哥倫比亞工程學院的生物醫學工程師發現了大腦電波震蕩的一個新的基本特徵：它們在大腦中其實是有節奏地傳播，能反映出在大腦皮層上傳播的神經活動模式。這項研究剛剛發表在《Neuron》上。

生物醫學工程助理教授，研究通訊作者Joshua Jacobs說：「我們還發現，如果受測對象在完成工作記憶的任務表現良好時，那麼他們大腦中傳播的電波就更穩定。這意味著，傳播的電波對於記憶和認知是非常重要的。我們的發現表明，這些電波震蕩對於人類大腦中的大規模協作來說是一種非常重要的機制。」

Jacobs的團隊對77位癲癇患者的直接大腦記錄數據進行了研究。這些患者大腦中的大範圍區域都分布了用於監測癲癇的電極，以便繪製癲癇發作地圖。在研究中，受測患者們需要完成一項記憶任務。在分析這些患者大腦記錄的時候，研究人員發現，患者大腦區域中出現了與認知功能有關的θ和α震蕩，頻率在2至15Hz之間。這些震蕩表明，這個區域中的神經元有節奏地被激活以支持認知功能，但是這些神經元起到的具體作用尚不明確。

在活躍的大腦中波傳播的平均方向。視頻來源： Joshua Jacobs /Columbia Engineering

研究團隊使用兩種新方法對數據進行分析。首先，他們通過多個電極同時測量各個區域的腦電波震蕩，而不是使用傳統方法對不同大腦區域分別進行腦電波測量。之後，他們開發出一種新型分析框架，使他們能夠對每個行波的瞬間活動進行測量。通過這種方法，他們發現，大腦震蕩的電波其實是以0.25-0.75m/s的速度在大腦皮層中傳播的行波。

Jacobs實驗室的博士後Honghui Zhang是該研究的第一作者，他說：「行波與行為相關，因為行波的傳播與任務事件之間存在相關性，受測者在任務中表現越好，這種腦電波就越穩定。」

這項研究表明，大腦利用神經元震蕩在大腦的不同區域中傳播信息，通過組織不同時間和空間中的神經過程，行波在支持大腦連通方面起到重要作用。

當受測者進行記憶任務時，研究人員在受測者大腦表面觀察到的行波。視頻來源：Joshua Jacobs /Columbia Engineering

Jacobs 說：「我們的研究表明，當我們記錄大腦電波震蕩時，大腦不同區域是進行神經活動交流的。所以，除了為大腦連接和記憶的基礎研究開闢新的方向外，我們的研究還表明，臨床醫生們可以通過測量行波模式的方法來判斷患者的大腦連通性。行波就像海浪一樣，在大腦皮層表面傳播，這種新型信號還可被用於腦-機介面。」

美國國立衛生研究院功能和恢復性神經外科部門的研究人員Kareem Zaghloul說：「這項研究非常精彩。關於行波的研究為大腦研究提供了新的方向，因為它使我們現在不僅考慮大腦代表的是什麼，還可以研究信息是如何在大腦中傳播的。」

Jacobs團隊正在探索行波是如何與其他行為產生相關性的，包括空間導航和長期記憶。他的團隊也正在開發新方法來測試其他類型的大腦電波震蕩（比如頻率更快的電波）是否也有和行波一樣的行為。

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