支持科学新闻报道
如果您喜欢这篇文章，请考虑通过以下方式支持我们屡获殊荣的新闻报道： 订阅。 通过购买订阅，您正在帮助确保未来能够继续讲述关于塑造我们当今世界的发现和想法的具有影响力的故事。
一项新的研究表明，大脑在深度睡眠和其他神经活动高度协调时期产生的节律性电场，可能会放大和同步沿着最初产生这些电场的相同神经网络的活动。这一发现表明，大脑的电场不仅仅是神经活动的被动副产品，它们可能提供反馈，调节大脑的功能，尤其是在深度睡眠或慢波睡眠期间。尽管类似的想法已经被考虑了几十年，但这是第一个直接证据表明，大脑皮层产生的电场会改变产生它们的神经元的行为。
“我认为这是一个非常令人兴奋的新发现，” 剑桥大学的神经科学家 Ole Paulsen 说，他没有参与最近的研究。“我们知道微弱的电场会影响大脑活动，但以前没有人真正测试过的是大脑自身产生的电场是否会影响其自身的活动。”
大脑是由单个神经细胞或神经元组成的复杂网络，它们使用电信号和化学信号相互通信。每次电脉冲或动作电位沿着神经元的分支快速传递时，都会有一个微小的电场包围该细胞。“少数神经元就像互相交谈并进行小对话的个体，” 耶鲁大学的神经生物学家，并且是 study 的合著者 David McCormick 解释说，该研究于 7 月 15 日在Neuron上在线发表。“但是当它们全部一致放电时，就像体育比赛中人群的咆哮声。” 这种“咆哮”是大脑中有组织的神经活动产生的所有微小电场的总和——这就是科学家们在使用脑电图 (EEG) 时记录的内容，当他们将电极网放在人的头皮上时。
“进入这项研究的问题是，” McCormick 说，“大脑中同步活动产生的电场是神经活动的被动结果，还是以某种方式积极参与调节该活动。” 在活体动物的大脑中研究这个问题将是理想的，但会引发伦理困境和实验困难，因为研究人员需要做的不仅仅是记录大脑中的电活动——他们需要操纵它。
相反，McCormick 和他的同事创建了一个实验模型，模拟了活体动物完整大脑中可能发生的情况。首先，研究人员将雪貂视觉皮层的一片脑组织悬浮在人工脑脊液中。活体皮质组织的行为就像雪貂的大脑处于慢波（非快速眼动）睡眠状态一样，在此期间，大脑产生迟缓但高度同步的电活动波。该团队的下一步是找出当脑组织切片受到微弱电场作用时，神经活动会发生什么。
他们用一个电场包围皮质样本，该电场近似于完整雪貂大脑在慢波睡眠期间产生的电场的大小和极性，从而创建了他们正在研究的确切反馈回路的夸大版本。本质上，他们将脑组织切片包裹在自身的“回声”中。
当团队应用这种电场“回声”时，他们发现它放大了并同步了脑组织切片中的神经活动。该电场没有造成混乱，而是增加了和谐。“咆哮”声变得更大更规律。“这有点像你在足球比赛中欢呼，有人通过扬声器播放人群欢呼的声音，你也开始对此做出反应，与真实的人群和扬声器回放一起欢呼，” McCormick 解释说。“这是一种增强反馈。”
研究人员不仅表明，这种正反馈促进了雪貂脑组织切片中同步的慢波电活动，他们还表明，强度相同但极性相反的电场会扰乱其同步神经活动。换句话说，他们表明他们可以用负反馈打破放大反馈回路。“在切片自身产生的反馈之上添加正反馈回路会增加同步性，” Paulsen 解释说，“但聪明之处在于证明负反馈会降低同步性。对我来说，负反馈实验在这里很重要，它真正证明了内源性 [内部产生的] 场正在促进同步性。”
这项新研究面临一些方法论上的缺陷：首先，实验室中电极产生的简单而均匀的电场并不能完美地模拟活体大脑产生的电场的复杂性。其次，实验模型依赖于极其薄的神经组织切片——与完整的大脑几乎不同。Paulsen 说，这些缺陷不太可能改变该研究的总体结论，因为实验室模型和活体生物之间电活动的潜在机制仍然足够一致。
由于大脑在高度同步的神经活动期间（如慢波睡眠）产生特别大的电场，研究人员怀疑他们发现的反馈回路可以协调深度睡眠的这些阶段——这些阶段被认为可以增强记忆力巩固。“在慢波睡眠期间，你所有的神经元都有序地行进。整个皮层都参与了这项活动，电场反馈可能有助于保持神经元的同步，” McCormick 说。“我认为这真的会改变人们看待大脑电场的方式。”
然而，目前研究人员只能推测这种反馈回路在日常大脑功能中的确切作用，纽约州立大学下城医疗中心的生理学家 Joseph Francis 说，他曾在老鼠的海马体中研究过类似的反馈。“最初，当我在做论文工作时，我想知道的是大脑的一部分是否可以在没有物理接触的情况下与另一部分互动，” Francis 解释说。“这项新研究表明，电场有可能在没有直接接触的情况下对神经活动本身产生影响。但现在我们需要确定这与正常功能有多大关系。”