生物医学工程师发现休息时的神经活动是高度有组织的

导读根据宾夕法尼亚州立大学和国立卫生研究院的研究,当老鼠休息时,单个神经元会以数秒的时间协调级联放电,触发整个大脑的活动。以前,这被认

根据宾夕法尼亚州立大学和国立卫生研究院的研究,当老鼠休息时,单个神经元会以数秒的时间协调级联放电,触发整个大脑的活动。以前,这被认为是一个相对随机的过程——单个神经元在没有外部刺激的情况下在随机时间自发放电。

第一作者、科学与技术研究所助理教授刘晓表示,这一发现于 11 月 18 日发表在《国家科学院院刊》上,是在啮齿动物中进行的,但可能对更好地理解人类的神经活动有影响——尤其是在阐明认知能力下降方面。生物医学工程和教师在计算和数据科学研究所共同雇用。

在休息期间,大脑似乎会自我恢复:海马体巩固记忆,而脑脊液则流经神经组织,使头脑清醒。然而,明显的整理和清洁的机制还不是很清楚。

“在静止状态下,单个神经元以高度有组织的方式激发,作为几秒钟的级联事件,”刘说。“这不是随机噪声。我们希望在静止状态下会发现神经元在某个组织中放电,但我们没想到有这么多神经元参与的高度有组织的活动模式。”

研究人员分析了艾伦研究所收集的公共数据集。艾伦研究所的科学家们记录了数百个静止和活跃啮齿动物神经元的神经元“尖峰”——通过大脑传递信息的电脉冲。他们还测量了瞳孔变化和身体运动。总体而言,宾夕法尼亚州立大学的研究人员将他们的分析集中在来自 14 只啮齿动物的 44 个不同大脑区域的约 10,000 个神经元的个体动力学上。

在休息期间对啮齿动物进行分析,当它们的身体静止时;然而,据研究人员称,尚不清楚这些动物是在睡觉还是只是在休息,因为它们是睁着眼睛睡觉的。

刘和他的团队分析了低频固定时间间隔内自发性尖峰活动的频率。他们观察到,70% 的记录神经元,无论大脑区域或起源如何,都参与了持续 5 到 10 秒的重复性、有序的全球大脑活动级联。级联的典型特征是从一组在休息时更活跃的神经元到另一组在主动运动期间表现出更强烈尖峰的连续激活。

尽管级联事件的重要性仍不清楚,但研究人员根据他们对瞳孔大小、海马体的 delta 波和波纹活动(各种神经活动的指标)的分析,提出它们可能与大脑唤醒状态和记忆有关。

“大脑中的 Delta 波和瞳孔大小是大脑唤醒状态的指标,”刘说。“例如,啮齿动物睡眠期间的 delta 波比清醒时强得多。另一方面,海马纹波是对记忆巩固很重要的高频振荡事件。”

Liu 和他的团队发现,两个唤醒指标——瞳孔大小和 delta 波——以及海马涟漪在每个全局尖峰级联的周期中系统地发生了变化,这意味着它们在每个周期的不同阶段会更高或更低。唤醒指标和涟漪的这种协调变化表明静息状态大脑活动中的级联事件可能将大脑的唤醒和记忆系统联系起来。

据刘说,尖峰级联与唤醒和记忆系统的联系也表明可能在阿尔茨海默病和其他认知功能障碍中起作用,这通常以两个系统同时出现的功能障碍为特征。

刘说,研究人员从功能性 MRI 中了解到,在休息期间,大脑会表现出整体活动的激增,这与脑脊液在脑组织上的流动相结合。今年早些时候,刘和他的团队发现,由于阿尔茨海默病或帕金森病导致认知能力下降的人,这种耦合显着降低。

“使用 fMRI 测量的静息状态全局大脑信号处于相同的低频,并显示出类似于单个神经元的尖峰级联的其他特征,”刘说。“因此,这可能是我们发现的尖峰级联的宏观观察。”

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