麻省理工学院的神经科学家解开了隐藏的思维节律

麻省理工学院的神经学家提出了一个新的框架，描述了思维是如何从振荡电场驱动的神经活动的协调中产生的。

在显微镜下观察手机上的像素可能会提供很多信息，但如果你的目标是理解屏幕上的整个视频显示的内容，那就不是这样了。认知在很大程度上与大脑中的涌现属性是相同的。麻省理工学院的三位神经科学家认为，这只能通过观察数百万细胞如何协调行动来理解。在一篇新的文章中，他们提出了一个框架来理解思想是如何从振荡电场驱动的神经活动的协调中产生的 —— 也被称为脑电波或“节律”。

大脑节律的意义

皮考尔大学教授厄尔·米勒和研究科学家斯科特·布林卡特和杰斐逊·罗伊在《行为科学的当代观点》杂志上写道，大脑节律在历史上被认为是神经活动的副产品，实际上对组织神经活动至关重要。

虽然神经科学家通过研究单个脑细胞如何连接，以及它们如何以及何时发出“尖峰”通过特定电路发送脉冲，获得了大量知识，但也需要在大脑节律尺度上理解和应用新概念，这些概念可以跨越单个甚至多个大脑区域。

拓宽神经科学的范围

资深作者米勒是麻省理工学院皮考尔学习与记忆研究所和大脑与认知科学系的教员，他说：“刺突和解剖学很重要，但大脑中还有更多的事情要做。有很多功能在更高的层次上发生，尤其是认知。”

作者写道，在这种规模上研究大脑的利害关系可能不仅包括了解健康的高级功能，还包括了解这些功能如何在疾病中被破坏。

他们写道：“许多神经和精神疾病，如精神分裂症、癫痫和帕金森氏症，都涉及神经同步性等新兴特性的破坏。我们预计，了解如何解释和处理这些新出现的特性对于开发有效的治疗方法以及理解认知至关重要。”

思想的产生

研究人员写道，单个神经元的规模和许多细胞的更广泛的协调之间的桥梁是建立在电场上的。通过一种叫做“触电耦合”的现象，一个神经元活动产生的电场可以影响邻近神经元的电压，使它们之间形成一条直线。通过这种方式，电场既反映神经活动，也影响神经活动。在2022年的一篇论文中，米勒和他的同事通过实验和计算模型证明，由神经元集合产生的电场编码的信息比单个细胞的尖峰编码的信息更可靠。2023年，米勒的实验室提供了证据，证明有节奏的电场可能会协调不同区域之间的记忆。

β和γ节律的作用

在这个更大的范围内，有节奏的电场在大脑区域之间传递信息，米勒的实验室发表了大量的研究表明，所谓的“β”波段的低频节奏起源于大脑皮层的深层，似乎调节了更浅层的高频“γ”节奏的力量。

通过记录参与工作记忆游戏的动物大脑中的神经活动，该实验室已经证明，贝塔节律携带“自上而下”的信号，以控制伽马节律在何时何地编码感觉信息，比如动物在游戏中需要记住的图像。

空间计算与认知控制

该实验室的一些最新证据表明，β节律将这种对认知过程的控制应用于皮层的物理斑块，本质上就像模板一样，在哪里和什么时候伽马可以将感觉信息编码为记忆，或者检索它。根据米勒称之为“空间计算”的理论，贝塔可以据此建立任务的一般规则（例如，打开密码锁所需的来回旋转），即使特定的信息内容可能会发生变化（例如，当组合发生变化时，新的数字）。

作者写道，更一般地说，这种结构还使神经元能够灵活地同时编码多种信息，这是一种被广泛观察到的神经特性，称为“混合选择性”。例如，一个神经元编码一个锁组合的数字，也可以根据它所在的贝塔模板补丁来分配，这个数字对解锁过程的特定步骤至关重要。

子空间编码：一种新见解

在这项新研究中，米勒、布林卡特和罗伊提出了另一个与认知控制一致的优势，即基于大规模协调节奏活动的相互作用：“子空间编码”。

这一观点假设，大脑节律组织了大量可能的结果，这些结果可能是由1000个神经元参与独立的尖峰活动产生的。而不是所有的许多组合的可能性，更少的活动的“子空间”实际上出现，因为神经元是协调的，而不是独立的。这就好像神经元的尖峰就像一群鸟在协调它们的动作。

大脑节律的不同阶段和频率提供了这种协调，通过排列来相互放大，或者抵消以防止干扰。例如，如果需要记住一段感官信息，那么当感知到新的感官信息时，代表它的神经活动可以受到保护，不受干扰。

“因此，将神经反应组织到子空间中可以分离和整合信息，”作者写道。

脑节律对认知的影响

作者写道，大脑节奏在大脑中协调和组织信息处理的能力，使功能性认知能够在这种规模上出现。因此，理解大脑中的认知需要研究节奏。

作者总结道：“单独研究单个神经成分 —— 单个神经元和突触 —— 对我们对大脑的理解做出了巨大贡献，而且仍然很重要。然而，越来越清楚的是，为了充分捕捉大脑的复杂性，必须对这些组成部分进行一致分析，以识别、研究和关联它们的涌现特性。”

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