特定的大脑活动模式被认为是大脑特定过程或计算的基础，这些过程或计算对于各种心理功能（如记忆）至关重要。最近备受关注的一种“大脑信号”被称为“尖波纹波”——一种短促的、波形的高频振荡爆发。
研究人员最初在海马体中发现了纹波，海马体是大脑中至关重要的记忆和导航区域，认为纹波对于在睡眠期间将记忆转移到长期记忆中至关重要。然后，2012年加州大学旧金山分校的神经科学家洛伦·弗兰克和尚塔努·贾达夫（后者现就职于布兰迪斯大学）领导的一项研究表明，纹波在清醒时的记忆中也发挥作用。研究人员使用电脉冲干扰啮齿动物大脑中的纹波，并表明，通过这样做，记忆任务的表现会降低。然而，没有人操纵纹波来增强记忆——直到现在。
纽约大学医学院的研究人员在神经科学家格尔吉·布扎基的领导下，现在正是这样做了。在6月14日发表在《科学》杂志上的一项研究中，该团队表明，延长大鼠海马体中的尖波纹波显著提高了它们在迷宫任务中的表现，该任务考验工作记忆——大脑用于即时组合和处理信息的“草稿纸”。“这是一项非常新颖且具有影响力的研究，”未参与该研究的贾达夫说。“以如此精确的方式对生理过程进行‘功能获得’研究非常困难。”这项工作不仅揭示了关于纹波如何促进特定记忆过程的新细节，而且最终可能对开发记忆和学习障碍的干预措施产生影响。
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研究人员首先检查了多年实验中获得的数据库中记录的大鼠在执行任务时纹波的特性。他们发现，当大鼠必须穿过迷宫时，比简单地探索或沿着轨道奔跑时，会发生持续时间更长的纹波。穿过迷宫需要大鼠运用记忆力。
在一项名为 M 迷宫的任务中，大鼠首先被训练成穿过 M 形迷宫的右臂以获得含糖奖励，然后在下一次试验中穿过左臂。研究人员发现，与做错的试验相比，大鼠正确完成的试验中纹波持续时间明显更长。“你可以记录大脑中非常简单的电模式，并判断动物的表现是好还是不好，或者动物是否在学习，”布扎基说。这些发现表明，海马体在记忆密集型活动期间会产生持续时间更长的纹波，并且这些持续时间更长的信号可以提高表现。
为了验证持续时间更长的纹波有助于提高表现，研究小组人为地延长了执行 M 迷宫任务的大鼠的纹波持续时间。研究人员使用了光遗传学，即使用光纤电缆输送的光来激活大鼠海马体中基因工程改造的光敏神经元。他们记录了任务期间海马体中的集体神经活动，以便他们能够检测到自发产生的纹波。一旦检测到纹波，就会触发光脉冲来激活工程改造的神经元。与没有光刺激或在短暂的随机延迟后施加刺激的对照条件相比，这种“闭环”刺激使纹波的持续时间大约增加了一倍，并显著提高了大鼠的表现。
大鼠的学习速度也更快，在记住哪条路线会带来奖励方面，达到 80% 的正确率的时间早于对照条件下的老鼠。研究人员还通过使用高强度光脉冲中止纹波来关闭任何有益效果，证实了表现受到损害。“很高兴看到另一个小组以略微不同的方式做了一些事情，并获得了相同的结果，”弗兰克说。“这让你感觉我们都在朝着某个方向前进。”
为了研究更长的纹波可能如何提高表现，研究小组检查了参与神经元的特性。纹波不仅仅是相同神经元随时间推移的重复活动；相反，随着信号的持续，其活动会扩散到更多神经元。
研究小组观察到，特定的神经元倾向于在信号的早期或晚期“放电”，并且他们发现了这两组神经元之间有趣的差异。“早期”神经元是具有高基线活动的“话匣子”，而“晚期”神经元则更加迟缓，平均活动较低。“放电快的神经元就像健谈的人，他们在许多情况下都很活跃，”布扎基解释说。“大多数神经元通常不放电，但一旦放电，它们就会说出重要的事情。”
海马体包含专门用于导航的神经元，称为“位置细胞”，当动物处于特定位置时，这些细胞会放电。研究人员发现，在长纹波的后期（无论是自发产生的还是人为延长的）放电的神经元，对位置的调谐度更高，并且这些位置往往位于迷宫的臂上。之前的研究表明，纹波的一个功能可能是“重放”记忆。新的发现支持了这一观点，并表明延长纹波会招募额外的神经元来生成信号，这些神经元的活动与手头的任务相关。“当他们延长纹波的长度时，他们正在招募重新激活动物采取的路径的细胞，”贾达夫解释说。“这可能是一种对所有可用路径进行认知搜索的机制，其他大脑区域可以读取并采取行动。”
研究人员希望这项工作最终可能有助于开发治疗与年龄相关的认知衰退或阿尔茨海默病中出现的记忆问题的方法。学习困难也可能得到解决。实验中的技术很难应用于人类，因为它们具有侵入性并且涉及基因操作，但布扎基表示他们正在研究非侵入性方法。最近一项研究于 4 月份发表，由波士顿大学神经科学家罗伯特·莱因哈特领导，该研究使用应用于老年参与者头皮的微弱电流来提高工作记忆表现，同时伴随着不同皮质区域中某些（theta）频率的振荡之间更大的同步性。“[布扎基团队]的优雅工作与我的实验室进行的研究之间存在有趣的联系点，”莱因哈特说。“系统和认知神经科学的研究正在奠定关键的基础科学基础，这可能会为预防和治疗脑部疾病开辟全新的基于回路的疗法途径。”
现有非侵入性方法（如经颅磁刺激或莱因哈特研究中使用的经颅电刺激技术）的问题在于它们无法穿透大脑，因此难以操纵深层海马体中的信号。非侵入性地从大脑深处记录更加棘手。一种可能的解决方案是从大脑表面记录的活动中推断海马体中何时发生纹波。“可能存在非常特定的、比如说，先于这些事件并产生海马体纹波的前额叶活动模式，”弗兰克说。“但我们还不了解它的样子。”
此外，使用这些技术修改皮质活动可能会因此影响海马体中的活动。“我们知道这些尖波纹波可能会受到[特定的]新皮质模式的影响，”布扎基说。“事实上，许多公司都在试图通过改变新皮质模式来影响记忆。”最后，可以采用侵入性方法，类似于用于检测和干预癫痫发作的植入物，用于检测或操纵纹波，或两者兼而有之。侵入性和非侵入性方法甚至可以结合使用。“只要你能测量这些事件并想出某种方法来操纵它们，你就有可能使系统运行得更好，”弗兰克说。“那里存在着无限的可能性。”
注意：格尔吉·布扎基的单位已从“纽约大学”更正为“纽约大学医学院”。