麻省理工学院

 

A) 神经场模型和连接。神经场提供了一种定量的方法来描述每个集合在同时记录的点上的活动模式。相同的模型可以描述不同的集合。每个电极占据皮层流形（线）Δ上的一个位置，参数为变量 x，并与所有其他电极连接，连接强度遵循高斯曲线（彩色实线和虚线），详见（Pinotsis 等，2017 年）。B) 组合中每个神经元周围的细胞外空间（蓝色圆柱形纤维）。C) 导体中圆柱形纤维产生电场的双域模型。细胞外和细胞内空间分别由蓝色和灰色的圆柱形纤维描绘（各种符号的含义见方法）。D) 简化的双域模型，测量点的垂直距离远大于细胞内空间的半径。图片来源：Cerebral Cortex (2023).DOI: 10.1093/cercor/bhad251

大脑的 "回路 "隐喻既熟悉又无可争议：神经元通过直接的物理连接来创建功能网络，例如存储记忆或产生思维。但这一隐喻也是不完整的。是什么促使这些回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。

 

这项发表在《大脑皮层》（Cerebral Cortex）杂志上的新研究表明，当动物玩工作记忆游戏时，所有参与游戏的神经元的基本电活动所产生的电场会在两个关键脑区协调它们正在记忆的信息。反过来，电场似乎又驱动着神经活动，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乐手，大脑区域是它们的分部，而记忆则是它们产生的音乐，那么电场就是指挥。

 

这种主导电场影响组成神经元膜电压的物理机制被称为 "突触耦合"。这些膜电压是大脑活动的基础。当膜电压超过阈值时，神经元就会 "骤增"，发出信号，通过被称为突触的连接传递给其他神经元。

 

该研究的资深作者、麻省理工学院脑与认知科学系皮考尔教授厄尔-K-米勒（Earl K. Miller）说："但是，任何数量的电活动都可能促成一个普遍存在的电场，而这个电场也会影响尖峰的产生。

 

"米勒说："许多皮层神经元在尖峰脉冲的边缘徘徊了很长时间。"周围电场的变化会将它们推向一个方向或另一个方向。很难想象进化不会利用这一点。

 

新研究的主要作者、伦敦城市大学副教授兼皮考尔研究所研究员迪米特里斯-皮诺奇斯（Dimitris Pinotsis）说，新研究尤其表明，电场推动神经元网络的电活动，从而产生工作记忆中存储信息的共享表征。他指出，这些发现可以提高科学家和工程师读取大脑信息的能力，有助于为瘫痪病人设计脑控假肢。

 

"皮诺奇斯说："利用复杂系统理论和数学纸笔计算，我们预测大脑电场会引导神经元产生记忆。"我们的实验数据和统计分析都支持这一预测。这是数学和物理学如何揭示大脑电场，以及如何为构建脑机接口（BCI）设备提供真知灼见的一个例子。

场占上风

在 2022 年的一项研究中，米勒和皮诺西斯建立了一个神经电活动产生电场的生物物理模型。他们的研究表明，与单个神经元的电活动相比，脑区神经元群产生的整体电场更可靠、更稳定地代表了动物用来玩工作记忆游戏的信息。

 

神经元是一种善变的装置，其变化无常会产生一种被称为 "表征漂移 "的信息不一致性。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整，从而使大脑高效处理信息。

 

在新的研究中，皮诺齐斯和米勒将他们的研究扩展到了一个问题：突触耦合是否会将支配电场扩散到多个大脑区域，从而形成一个记忆网络，或者说 "记忆"。

 

因此，他们将分析范围扩大到大脑的两个区域：额叶眼场（FEF）和辅助眼场（SEF）。