空間計算理論認為,β節律如同範本,決定γ節律在皮層中(例如來自感官的信息)編碼資訊的位置。 來源:麻省理工學院皮考爾學習與記憶研究所 (MIT)
若目標是理解螢幕上的完整視頻而非僅觀察手機圖元,顯微鏡下的像素觀察便無意義。 認知在大腦中同樣是一種湧現屬性,麻省理工學院三位神經科學家指出,它只能通過觀察數百萬細胞的協調活動來理解。 在新論文中,他們提出一個框架,闡釋思維如何從由振蕩電場驅動的神經活動協調中產生——這種電場也被稱為腦"波"或"節律"。
該論文發表於《行為科學新見》期刊。
皮考爾教授厄爾·米勒與研究科學家斯科特·布林卡特、傑斐遜·羅伊寫
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道,歷史上被視為神經活動副產品的腦節律,實為組織該活動的關鍵。 儘管神經科學家已通過研究單個腦細胞連接方式及其發射「尖峰」脈衝通過特定迴路的時機獲得巨大知識,但同樣需要重視並應用腦節律尺度的新概念,其範圍可跨越單個甚至多個腦區。
"尖峰放電和解剖結構很重要,但大腦中還有更深層的活動,"資深作者米勒表示,他是麻省理工學院皮考爾學習與記憶研究所及腦與認知科學系的教授。 "更高層面存在大量功能,尤其是認知。"
作者們寫道,在該尺度研究大腦的意義不僅關乎理解健康高級功能,還涉及這些功能如何在疾病中受損。
"許多神經和精神疾病,如精神分裂症、癲癇和帕金森病,都涉及神經同步等湧現特性的紊亂,"他們指出。 "我們預期,理解如何解讀和干預這些湧現特性,對開發有效療法及認知研究都至關重要。"
思想的湧現
研究者指出,單個神經元尺度與多細胞大尺度協調之間的橋樑基於電場。 通過名為「電緊張耦合」的現象,神經元活動產生的電場可影響鄰近神經元的電壓,使其產生同步。 這種方式下,電場既反映神經活動又影響其進程。
2022年,米勒團隊通過實驗和計算建模證明,神經元群產生的電場所編碼的資訊比單個細胞尖峰編碼的資訊更可靠。 2023年,米勒實驗室提供證據表明,節律性電場可能在腦區之間協調記憶。
在這一大尺度上——節律性電場在腦區間傳遞資訊——米勒實驗室已發表多項研究,顯示所謂"β頻段"的低頻節律起源於大腦皮層深層,並似乎調控淺層"γ頻段"高頻節律的強度。 通過記錄動物工作記憶遊戲中的神經活動,實驗室發現β節律傳遞「自上而下」信號,控制γ節律何時何地編碼感官資訊(例如動物在遊戲中需記住的圖像)。
該實驗室最新證據表明,β節律將這種認知過程控制應用於皮層的物理區域,本質上如同範本,規劃γ節律何時何地將感官資訊編碼入記憶或提取。 根據米勒稱為「空間計算」的理論,β節律可由此確立任務通用規則(例如打開組合鎖所需的來迴轉動),即使具體內容變化(例如組合更改時的新數位)。
更廣泛而言,作者指出這種結構使神經元能靈活同時編碼多種資訊,這是一種名為"混合選擇性"的廣泛觀察到的神經特性。 例如,編碼鎖組合數字的神經元,可基於其所在的β範本區域,被分配至該數位在解鎖過程中起作用的特定步驟。
在新研究中,米勒、布林卡特和羅伊提出另一項優勢:與認知控制基於大尺度協調節律活動一致的"子空間編碼"。 該理論假設,腦節律組織了原本可能由1000個神經元獨立尖峰活動產生的海量結果。 由於神經元是協調而非獨立的,實際出現的活動"子空間"遠少於所有組合可能性。
這如同鳥群協調飛行:腦節律的不同相位和頻率提供這種協調,相互增強以放大信號,或相互抵消以避免干擾。 例如,若需記住一段感官資訊,代表它的神經活動可在新感官資訊傳入時受到保護,免受干擾。
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"因此,將神經反應組織為子空間既能分離也能整合資訊,"作者寫道。
作者指出,腦節律協調和組織大腦信息處理的能力,使功能性認知得以在該尺度湧現。 因此,理解大腦認知必須研究節律。
"孤立研究單個神經成分——如單個神經元和突觸——對理解大腦貢獻巨大且仍很重要,"作者總結道。 "然而,越來越清晰的是,要充分捕捉大腦複雜性,必須協同分析這些成分,以識別、研究並關聯其湧現特性。"