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PNAS:β波是怎样出现在脑中的

2016/07/28 来源:生物探索
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导读
迄今为止,科学家们对于自发脑电波出现的原因仍然没有定论。近日,布朗大学在PNAS发表了他们研究的一项关于β脑电波形成的新机制,可能对这个尚不明确的科学问题有一定的提示作用。

脑电波(EEG)是大脑在活动时,大量神经元同步发生的突触后电位经总和后形成的。它记录大脑活动时的电波变化,是脑神经细胞的电生理活动在大脑皮层或头皮表面的总体反映。现代科学研究已经知道,人脑工作时会产生脑电波,可用电子扫描仪检测出。经过研究证实大脑在至少有五个不同的脑电波,即δ波、θ波、α波、β波及γ波。其中,β波是一种频率在20Hz左右的脑电波,它通常伴随着人体重要的基础行为,比如注意力、感觉和运动,并且与一些疾病如帕金森病密切相关。科学家们对于自发脑电波出现的原因莫衷一是,甚至至今仍不清楚脑电波究竟只是脑活动的副产物,还是行使正常脑部功能必不可少的起始因素。

近日,来自布朗大学的神经科学家们发表了一项关于β脑电波的新机制。该研究发表于Proceedings of the National Academy of Sciences上,“首先,我们需要了解β脑电波与行为或病理状态的因果关系,并且怎样通过调控它来优化大脑功能,也就是在细胞或者电生理水平去理解它是怎样产生的。”本研究的作者、布朗大学神经科学副教授Stephanie Jones说。“我们的研究结合了几种技术以解决这个问题,并提出了一种自发新皮层β脑电波的新机制。”

研究团队首先用脑磁图仪(MEG)观测人类躯体感觉皮质区的β脑电波,躯体感觉皮质区处理触觉、痛觉、温觉等感觉。研究人员仔细分析了β脑电波,发现它仅持续150毫秒。并且,在波中部出现的一个大而陡的波谷成为其特征波形。接下来的问题是,大脑皮层中是什么神经活动产生了这种波呢?为了解释这个问题,研究人员利用皮层电路的电脑模型再创造出这种电波,该模型由大脑皮层的多层皮质柱构成,其中包含着不同种类的细胞。此外,由于MEG所测量的磁场主要来源于大脑皮层锥体细胞树突产生的突触后电位,因此这个模型在设计中还包含了锥体细胞。

研究人员发现,只需给予不同层皮层柱细胞两种兴奋性突触刺激就可以复制出与β脑电波几乎相同的波形:一种是在底层区,在胞体附近的椎体细胞突触棘上给予微弱而持久的刺激,另一种是在上层区,在远离胞体的树突上给予强而短促,持续50毫秒(即一个β脑电波周期)的刺激。刺激产生的波形中的波谷决定了β脑电波的频率。

在电脑模型上得到初步结果之后,研究人员又在两种动物模型上验证了该模型。他们分析了小鼠和恒河猴大脑皮层的测试结果,确认这种类型的刺激与响应也会出现在动物模型的不同皮质层之中。

Jones和她的共同作者认为,β脑电波可能来自大脑深处的下丘脑,因为下丘脑恰巧处在一个关键的位置,这个位置是将信号准确地传递给皮层椎体神经元的必经之路。而且下丘脑所发出的脉冲刚好持续50毫秒,这进一步证明了他们的理论。

由于研究团队发现了脑电波发生的新生理物理学理论。因此他们希望更进一步研究β脑电波是否影响了行为与疾病,或者仅仅是行为与疾病的反照。现在,Jones的团队与布朗大学神经科学的教授Christopher Moore合作,着手试验他们关于β脑电波在脑内是否可能减少感觉或者传递信息的猜想。他们猜想产生β脑电波的冲动可能也刺激了皮层顶层的抑制性神经元,或使椎体神经元的活性饱和,因而削弱了它们处理信息的能力;或者下丘脑的脉冲所产生的β脑电波占据了下丘脑这个信息传递点,从而使信息不能在皮层传播。Jones认为将这些问题弄清楚有助于寻找出一种基于控制β脑电波的新疗法,并给那些希望通过调节β脑电波及其他脑波来改善感觉运动疾病的研究人员一定的提示作用。

备注:本文编译自medicalxpress网站,原标题:“New theory explains how beta waves arise in the brain

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