Brainwaves recorded at MIT. Credit: MIT Picower Institute
神经元的电活动在执行相同任务时会发生变化，即使最终结果相同，这也是生活中的一个事实。一项新研究表明，大脑活动中的许多持续波动可以通过局部电场对神经元的影响来解释，这种现象被称为"电场耦合"(ephaptic coupling)。
这一发现发表在《大脑皮层》(Cerebral Cortex)期刊上，进一步证明大脑电场作为基础脑功能的重要控制信号。
"大脑是一个充满电活动影响的汹涌海洋，"研究合著者、皮考尔学习与记忆研究所和麻省理工学院脑与认知科学系的皮考尔神经科学教授Earl K. Miller表示。"但传统的脑功能观点仅关注单个神经元之间的放电和突触连接。现在，有关电场效应的证据越来越多。例如，在这项研究中，我们表明神经变异性可以通过电场耦合效应如何影响神经活动来解释。"
2022年和2023年，Miller与合著者、伦敦城市圣乔治大学的副教授Dimitris Pinotsis发表了几项研究，表明大脑皮层中的局部电场不仅比任何单个神经元更好地反映了神经元正在处理的信息，而且这些电场还积极帮助组织执行该处理的基础神经放电。
就像管弦乐队指挥一样，电波可以指挥成群的神经元，使它们"演奏同一首曲子"。他们进一步提出理论，认为电场通过"细胞电耦合"(cytoelectric coupling)对大脑结构产生物理影响，在这种耦合中，电场改变神经元的细胞骨架，使其优化以同步振荡。
因为电场可以被操控，Miller和Pinotsis在新研究中认为，了解电场如何影响瞬时脑功能可能会为治疗干预打开大门，以改善疾病中出现的功能障碍。调整每个神经连接将非常困难，但电场耦合表明，在电场层面进行干预可能实现这一治疗目标，研究人员表示。
"精心设计的电场操控可能帮助患者重新连接故障电路，"Pinotsis和Miller写道。
测量与模型
在两人之前的研究中，他们分析了随时间平均的信号，记录表明，尽管皮层中的局部（或"中观尺度"）电场来自单个神经元的电活动，但电场最终代表并协调它们的功能。这样理解：神经元就像个体公民，而电场则是它们的政府。一旦公民通过个人投票建立政府，他们就会受到政府制定和执行的法律的约束和统一。
在新研究中，研究团队询问中观尺度电场是否不仅在工作记忆任务中总体上提供这种电场耦合影响，而且是逐次提供。毕竟，这更接近于对健康功能和疾病都重要的实际脑操作的时间尺度。
逐次测试效应
因此，科学家们重新审视了他们在动物玩简单视频游戏时记录的数据。动物被展示屏幕周围六个位置中的一个点。点消失后，动物必须在记忆中保持其先前的位置，因为要成功完成游戏并获得奖励，它们必须在提示时注视以指示点出现的方向。
同时，科学家们使用植入皮层区域的电极记录神经电放电和更集体的局部场电位。利用这些信息，他们计算了每个时刻的局部主导电场。
电场显示了更强的影响
在对数据的统计分析中，他们得出了几个发现。一个预期的结果是，神经活动在任务期间逐次变化，有时变化相当大。另一个发现是，使用一种称为格兰杰因果关系(Granger Causality)的数学技术表明，电场和神经活动之间的影响方向强烈倾向于电场。换句话说，在两者之间的耦合中，电场占主导地位。
研究人员写道："我们发现，从神经活动中产生的、通过LFPs捕获的电场反过来以自上而下的方式影响这种活动（电场耦合）。"
此外，团队的建模和计算表明，电场与神经活动之间的电场耦合强度与LFP功率的变化成正比——这是电场影响神经活动的另一个迹象。
研究人员写道："变异性越大，自上而下的组织效应就越明显。" "正在浮现的图景是，电场充当控制参数。"
出版详情
Dimitris A Pinotsis等人，《电场耦合可以解释神经活动的变异性》，《大脑皮层》(2026)。DOI: 10.1093/cercor/bhag098
期刊信息： 《大脑皮层》
临床类别
神经学
提供方
麻省理工学院
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