腦電波是一類由大腦中局部群體神經(jīng)元同步放電所形成的具時空特征的腦電活動電波。德國醫(yī)生漢斯·伯格（Hans Berger）在1924年首次在人的頭骨上記錄到腦電波圖（electroencephalography, EEG）。在最早測量的腦電波中，人們已觀測到存在不同頻率段的振蕩腦活動，并發(fā)現(xiàn)這些不同形式的振蕩電活動與大腦的不同功能狀態(tài)密切相關(guān)。根據(jù)生理特征和頻段范圍，腦電振蕩活動主要可分為delta（< 3Hz），theta（3-8 Hz），alpha（8-12 Hz），beta（β, 12-30 Hz）和gamma（γ, 30-100 Hz）頻段振蕩活動。例如在深度睡眠階段，主要可觀測到delta和theta振蕩腦電波，在快速眼動睡眠和清醒階段，則以alpha，beta和gamma腦電波為主（圖1）；此外當(dāng)人執(zhí)行注意或短時記憶等腦認(rèn)知功能時，腦電振蕩活動也發(fā)生不同時空特征的變化。因此，腦科學(xué)家們普遍認(rèn)為，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)生成中不同形式的振蕩電活動是大腦信息處理和傳遞的“編程語言”，可以從中解析出大腦所思的內(nèi)容和控制指令，從而實現(xiàn)科幻電影中那些意念控制物體或機(jī)器的酷炫技術(shù)。然而在現(xiàn)實生活中，我們現(xiàn)仍遠(yuǎn)未達(dá)到能高效地開發(fā)和建立這些黑技術(shù)的階段；其中一個最為主要的原因是因為我們?nèi)晕辞宄亓私饽X電波活動如何生成、又如何編碼和傳遞外界信息或表征思想內(nèi)容等這些基本問題。至今神經(jīng)科學(xué)研究者們從未停止探索其中的奧秘。
圖1. 不同頻率特征的腦電波。圖片源自文獻(xiàn)Lindsley, D.B. Psychological phenomena and the electroencephalo-gram. In Electroencephalography and ClinicalNeurophysiology 4. pp. 443-456, 1952.
隨著現(xiàn)代神經(jīng)科學(xué)研究的技術(shù)發(fā)展，例如光遺傳操控技術(shù)和高密度多道電極記錄技術(shù)等，使得研究人員可實現(xiàn)對靈活地操控神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中不同類型神經(jīng)元的放電活動，并且發(fā)現(xiàn)大腦中一類行使抑制作用的中間神經(jīng)元對振蕩活動的生成和調(diào)控發(fā)揮著重要作用。但抑制性中間神經(jīng)元在功能基因分子表達(dá)、放電和形態(tài)特征和連接圖譜上存在多達(dá)近十幾種差異類型，它們?nèi)绾闻c興奮性主體神經(jīng)元相互協(xié)同工作來生成不同頻段振蕩網(wǎng)絡(luò)活動這一機(jī)制問題仍缺少系統(tǒng)和完整的了解，回答這一問題可揭示神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)信息編碼處理的群體計算機(jī)制。
12月20日，腦科學(xué)研究領(lǐng)域的頂級國際學(xué)術(shù)期刊《神經(jīng)元》（Neuron）刊發(fā)了北京師范大學(xué)認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)與學(xué)習(xí)國家重點(diǎn)實驗室章曉輝教授研究組關(guān)于腦電波生成機(jī)制的最新重要發(fā)現(xiàn)。他們的研究發(fā)現(xiàn)詳細(xì)地闡明了大腦皮層中由不同類型神經(jīng)元組成的神經(jīng)環(huán)路驅(qū)動形成不同頻頻率腦電的機(jī)理。這是他實驗室繼今年4月在另一國際腦科學(xué)頂級期刊《自然-神經(jīng)科學(xué)》（Nature Neuroscience）上發(fā)表關(guān)聯(lián)學(xué)習(xí)的大腦環(huán)路基礎(chǔ)的發(fā)現(xiàn)后，又一次在揭示大腦工作機(jī)理的研究上做出了具國際重大影響力的發(fā)現(xiàn)。
在章曉輝教授實驗室中，陳廣博士與博士生張媛、李響等采用光遺傳學(xué)技術(shù)和多通道電極記錄分別操控和記錄小鼠視覺皮層中兩類主要抑制性神經(jīng)元（PV和SOM細(xì)胞）的放電活動，系統(tǒng)地檢測它們驅(qū)使beta和gamma振蕩活動中的各自作用機(jī)理。
他們首先發(fā)現(xiàn)在時相特征上，抑制性PV神經(jīng)元的放電與視皮層網(wǎng)絡(luò)的自發(fā)gamma振蕩活動高度相關(guān)，而SOM神經(jīng)元的放電則與視覺誘發(fā)的beta振蕩網(wǎng)絡(luò)活動呈現(xiàn)更高相關(guān)性。
進(jìn)一步通過操控特定神經(jīng)元的放電活動，他們發(fā)現(xiàn)減弱SOM神經(jīng)元的放特異地抑制beta（20-30 Hz）頻段的網(wǎng)絡(luò)振蕩活動，但基本不影響gamma（40-80 Hz）振蕩，并促使局部網(wǎng)絡(luò)活動處于一種更“去同步（de-synchronization）”狀態(tài)。
然而，當(dāng)減弱PV神經(jīng)元放電時，網(wǎng)絡(luò)中群體神經(jīng)元自發(fā)活動從低頻至高頻段都明顯增強(qiáng)，促使網(wǎng)絡(luò)活動進(jìn)入一種“過度同步(highly-synchronization)”狀態(tài)，并且進(jìn)而抑制了視覺輸入相關(guān)的beta和gamma振蕩活動的生成。
最后，研究團(tuán)隊采用光遺傳學(xué)方法驅(qū)動SOM或PV神經(jīng)元以1-200 Hz頻率節(jié)律放電。他們發(fā)現(xiàn)，SOM神經(jīng)元的節(jié)律放電能有效地驅(qū)動局部網(wǎng)絡(luò)生成5-30 Hz頻段的振蕩活動，PV神經(jīng)元則驅(qū)動20-80 Hz網(wǎng)路振蕩活動。這一證據(jù)直接揭示了抑制性SOM細(xì)胞與興奮性主體神經(jīng)元形成的局部神經(jīng)環(huán)路負(fù)責(zé)生成低頻振蕩網(wǎng)絡(luò)活動，尤其beta振蕩；而PV細(xì)胞神經(jīng)環(huán)路驅(qū)動較寬幅的高頻網(wǎng)絡(luò)振蕩網(wǎng)絡(luò)活動（圖2, 左）。這兩種抑制性神經(jīng)元之間的功能平衡對于維持大腦皮層的正常網(wǎng)絡(luò)活動非常關(guān)鍵。
圖2. 大腦皮層beta 和gamma 振蕩神經(jīng)電活動的神經(jīng)環(huán)路機(jī)制的示意圖（左）和Neuron重點(diǎn)推介此論文（右）。
章曉輝教授團(tuán)隊這一項系統(tǒng)的研究工作清晰地闡明了大腦皮層不同頻率局部網(wǎng)絡(luò)電活動生成的神經(jīng)機(jī)理，為進(jìn)一步了解神經(jīng)網(wǎng)路中群體神經(jīng)元表征和處理外界信息的神經(jīng)活動“計算編程”機(jī)理提供了非常重要發(fā)現(xiàn)，同時對推進(jìn)人腦-機(jī)器接口技術(shù)的發(fā)展具有重要參考意義。此外，因此，該研究論文亦被《神經(jīng)元》期刊推薦為當(dāng)月的重點(diǎn)論文。
北京師范大學(xué)腦與認(rèn)知科學(xué)研究院Malte J. Rasch副教授和研究生趙曉晨、以及美國麻省理工學(xué)院（MIT）Yingxi Lin教授和南加州大學(xué)Huizhon W. Tao教授參與此項合作研究。該研究受到科技部重大研究項目和自然科學(xué)基金委項目的經(jīng)費(fèi)的支持。
論文鏈接： Guang Chen,Yuan Zhang,Xiang Li,Xiaochen Zhao,Qian Ye,Yingxi Lin,Huizhong W. Tao,Malte J. Rasch*,and Xiaohui Zhang* (2017)Distinct Inhibitory Circuits Orchestrate Cortical beta and gammaBandOscillations. Neuron 96: 1403–1418 (Featured article)
http://www.cell.com/neuron/fulltext/S0896-6273(17)31086-3
來源：北師大腦與認(rèn)知科學(xué)
編輯：格格
