研究发现编码记忆的大脑网络通过电场聚集在一起
大脑的“电路”比喻是无可争议的，因为它是熟悉的：神经元建立直接的物理连接来创建功能网络，例如存储记忆或产生思想。但这个比喻也不完整。是什么推动这些电路和网络聚集在一起?新的证据表明，这种协调至少有一部分来自电场。
大脑皮层的新研究 表明，当动物玩工作记忆游戏时，它们所记住的信息是通过所有参与神经元的潜在电活动产生的电场在两个关键大脑区域之间协调的。反过来，该场似乎驱动神经活动，或细胞膜上明显的电压波动。
该研究的作者说，如果神经元是管弦乐队中的音乐家，大脑区域是他们的部分，记忆是他们产生的音乐，那么电场就是导体。
这种普遍存在的电场影响组成神经元膜电压的物理机制称为“触觉耦合”。这些膜电压是大脑活动的基础。当它们跨越阈值时，神经元会“尖峰”发送电信号，通过称为突触的连接向其他神经元发出信号。但研究的资深作者、麻省理工学院大脑与认知科学系的 Picower 教授厄尔·K·米勒 ( Earl K. Miller)表示，任何数量的电活动都可能会形成普遍存在的电场，从而影响尖峰 。
“许多皮质神经元花了很多时间在尖峰边缘徘徊”米勒说。“周围电场的变化可能会以某种方式推动它们。很难想象进化不利用这一点。”
主要作者、伦敦城市大学副教授兼研究机构迪米特里斯·皮诺西斯(Dimitris Pinotsis) 表示，特别是，这项新研究表明，电场驱动神经元网络的电活动，从而产生存储在工作记忆中的信息的共享表示。 在皮考尔研究所。他指出，这些发现可以提高科学家和工程师从大脑读取信息的能力，这有助于为瘫痪者设计大脑控制的假肢。
“利用复杂系统理论和数学笔和纸计算，我们预测大脑的电场会引导神经元产生记忆，”皮诺西斯说。“我们的实验数据和统计分析支持这一预测。这是数学和物理学如何揭示大脑领域以及它们如何为构建脑机接口(BCI)设备提供见解的一个例子。”
领域占上风
在 2022 年的一项 研究中，米勒和皮诺西斯开发了神经电活动产生的电场的生物物理模型。他们表明，与单个神经元的电活动相比，大脑区域中神经元组产生的整体场更可靠、更稳定地代表了动物用于玩工作记忆游戏的信息。神经元是一种变化无常的装置，其变化无常会产生一种称为“表征漂移”的信息不一致。 在今年早些时候的一篇评论 文章中，科学家们还假设，除了神经元之外，电场还会影响大脑的分子基础设施及其调节，以便大脑有效地处理信息。
在这项新研究中，皮诺西斯和米勒将他们的研究扩展到询问触觉耦合是否将控制电场传播到多个大脑区域以形成记忆网络或“印迹”。
因此，他们扩大了分析范围，着眼于大脑的两个区域：额眼区域(FEF)和辅助眼区域(SEF)。这两个区域控制着眼睛的自主运动，与动物正在玩的工作记忆游戏有关，因为在每一轮中，动物都会看到屏幕上以某个角度围绕中心放置的图像(就像时钟上的数字) )。短暂的延迟后，他们必须看向物体刚刚所在的方向。
当动物玩耍时，科学家们记录了每个区域数十个神经元产生的局部场电位(LFP，局部电活动的测量)。科学家们将记录的 LFP 数据输入到预测个体神经活动和整体电场的数学模型中。
这些模型允许皮诺西斯和米勒计算磁场的变化是否预示着膜电压的变化，或者活动的变化是否预示着磁场的变化。为了进行此分析，他们使用了一种称为格兰杰因果关系的数学方法。这一分析明确表明，在每个区域，场对神经活动都有很强的因果影响，而不是相反。与去年的研究一致，分析还表明，场的影响强度测量比神经活动的影响强度保持稳定得多，这表明场更可靠。
研究人员随后检查了两个大脑区域之间的因果关系，发现电场(而非神经活动)可靠地代表了 FEF 和 SEF 之间的信息传递。更具体地说，他们发现转移通常从 FEF 流向 SEF，这与之前关于这两个区域如何相互作用的研究一致。FEF 往往会主导眼球运动的启动。
最后，皮诺西斯和米勒使用了另一种称为表示相似性分析的数学技术来确定这两个区域实际上是否在处理相同的记忆。他们发现电场，而不是 LFP 或神经活动，在两个区域中代表相同的信息，将它们统一到印迹记忆网络中。
进一步的临床意义
考虑到有证据表明电场从神经电活动中产生，然后驱动神经活动来表示信息，米勒推测，也许单个神经元中电活动的一个功能是产生随后控制它们的场。
“这是一条双向街道，”米勒说。“尖峰和突触非常重要。这就是基础。但随后磁场会发生逆转并影响尖峰。”
他说，这可能对心理健康治疗产生重要影响，因为神经元是否以及何时出现峰值，会影响它们连接的强度，从而影响它们形成的回路的功能，这种现象称为突触可塑性。
米勒指出，经颅电刺激(TES)等临床技术会改变脑电场。如果电场不仅反映神经活动，而且能主动塑造神经活动，那么 TES 技术就可以用来改变电路。他说，正确设计的电场操作有一天可以帮助患者重新连接故障电路。
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