腦節(jié)律和神經(jīng)系統(tǒng)的語法（排列規(guī)則）

大腦皮層的活動在很大程度上是由大腦產(chǎn)生的各種振蕩所支持的，這些振蕩跨越了許多頻率和解剖位置。大多數(shù)形式的大腦節(jié)律是基于抑制的，產(chǎn)生有節(jié)奏的抑制輸入到主要細胞群，從而提供相對減弱和增強神經(jīng)元網(wǎng)絡興奮性的交替時間窗口。這些基于抑制的機制提供了自然的時間框架，將神經(jīng)元活動分“組”或分“塊”成組合和組合序列，更復雜的多振蕩相互作用為皮層網(wǎng)絡之間的有效信息交換創(chuàng)建語法（排列規(guī)則）。本文對此進行了詳細介紹，文章發(fā)表在Dialogues in Clinical Neuroscience雜志。(可添加微信號siyingyxf或18983979082獲取原文，另思影提供免費文獻下載服務，如需要也可添加此微信號入群，原文也會在群里發(fā)布)。

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解開神經(jīng)科學中的交叉頻率耦合

睡眠期間人類海馬體中緩慢振蕩、紡錘波和波紋的分層嵌套

Neuron：老年人腦波在睡眠時失耦合：慢波-紡錘波同步、腦萎縮和遺忘

跨頻率耦合：連接架構、機制和功能
22q11.2缺失綜合征青少年gamma頻帶反應和遠程通信中斷的異常發(fā)育模式

經(jīng)顱電刺激促進睡眠振蕩及其功能耦合增強輕度認知障礙患者的記憶鞏固

人類海馬體中緩慢的Theta-gamma相幅耦合支持新的情景記憶的形成
Brain：對帕金森患者EEG中β-γ相位-振幅耦合時空特征的研究

經(jīng)顱交流電刺激(tACS)：使大腦節(jié)律同步以提高認知能力

BRAIN：腦電研究：丙泊酚引起的意識喪失與丘腦-皮層連接的減少有關

經(jīng)顱交流電刺激（tACS）有助于老年人工作記憶的恢復

空間工作記憶的關鍵神經(jīng)機制：前額葉皮層的Theta和High Gamma同步

 交叉頻率耦合在認知控制不同成分中的因果作用

1. 介紹：大腦節(jié)律系統(tǒng)

所有哺乳動物大腦皮層的活動具有兩個基本特征：局部-全局交流和持續(xù)活動。由于哺乳動物大腦中神經(jīng)元的雙向和高度分支連接，局部活動會影響周圍的組織。大腦皮層的第二個基本特征是它的持久性活動，也就是說，在最初的輸入消失后，能夠持續(xù)并存在痕跡很久。

腦振蕩的交互系統(tǒng)可以維持局部-全局的相互作用和持續(xù)活動。大腦皮層是永遠活躍的，這反映在不斷變化的腦電圖(EEG)上。傳統(tǒng)的腦電圖定量研究通過計算長時間記錄的頻譜功率分布(圖1)。細胞外信號的一個顯著方面是它在空間和時間上的自相似性。其中，微電極或頭皮大電極在不同皮層結構上記錄的細胞外信號的基本特征是相同的，盡管記錄的神經(jīng)元體積在數(shù)量級上不同。因此，某些基本方面的功能在不同的位置和規(guī)?；疽恢隆＿@樣的分布表明存在復雜噪聲，這使得許多研究人員認為，大腦動力學本質上是混沌的，是由噪聲波動驅動的。然而，這個結論只在對長時間大腦活動進行研究時才成立。從感知到行動，許多最有趣的與大腦相關的現(xiàn)象發(fā)生在相對較短的時間窗口內(nèi)，如亞秒。因此，這些短時窗口是與研究認知活動相關的大腦動力學最相關的。從這種時間的角度來看，表征這些認知時刻的大腦模式通常在本質上是振蕩的，并在信息處理后可靠地返回到相同的狀態(tài)。

圖1 相互作用的大腦振蕩系統(tǒng)。皮層中的振蕩類。

重要的是，定義皮層振蕩的邊界有很多，經(jīng)驗發(fā)現(xiàn)這些振蕩相對獨立。主要受神經(jīng)元軸突傳導速度較慢的限制，當可用時間較短時，就像高頻振蕩的情況一樣，參與的神經(jīng)元被限制在一小塊神經(jīng)組織中。相比之下，在緩慢的振蕩過程中，大量組織中的許多神經(jīng)元可以被劃分到節(jié)律中。主要由于這種結構約束，當多個節(jié)律同時出現(xiàn)時，慢節(jié)律的相位會調(diào)節(jié)快節(jié)律的功率。這種“跨頻相位耦合”，首先在θ和γ振蕩之間被證明，是所有已知節(jié)律的一般機制(圖2)，它鞏固了大腦節(jié)律的層次組織。

圖2 (a)大腦視圖，顯示發(fā)生的位置，有瞬態(tài)γ振蕩和海馬區(qū)(HI)內(nèi)嗅皮層(EC)的θ振蕩。相同和不同類型的大腦節(jié)律可以通過調(diào)節(jié)振蕩的相位和/或振幅在結構內(nèi)部和跨結構之間相互影響。(b)兩個結構之間“合成”γ振蕩的相-相耦合。

(c)跨頻相位幅值耦合。

(d)除了相幅耦合，兩個位點也可能顯示γ相干性。

(e)跨頻相位耦合。

(f)慢節(jié)律可以調(diào)節(jié)多個新皮層區(qū)域的γ功率，當海馬網(wǎng)絡處于慢振蕩的“準備”階段時，局部狀態(tài)的結果返回到海馬。

2. 哺乳動物大腦節(jié)律的保持

無論大腦大還是小的動物中記錄的腦電圖或局部場電位(LFP)的頻譜特征都是相似的，所有已知的人類振蕩在迄今調(diào)查的所有其他哺乳動物中都存在。重要的是，無論大腦大還是小的動物中具有相同的間歇性性質和可能存在相同的機制。在所有被測試的哺乳動物的新皮層中都觀察到緩慢的振蕩(0.5到2Hz)。同樣，睡眠紡錘波不僅有相同的頻率(12到18Hz)，而且紡錘波的持續(xù)時間也相似。超慢(0.1Hz)節(jié)律(圖3)涉及新皮層的大片區(qū)域，很容易用fMRI檢測到。皮質網(wǎng)絡興奮性的超慢波動是穩(wěn)定的，在猴子、貓和大鼠中也觀察到了這種波動(圖3)。丘腦皮層α振蕩(8 - 12Hz)是感覺和運動系統(tǒng)在“空轉”或無定向狀態(tài)下的特征動態(tài)。在人類中，α家族節(jié)律的特定成員被稱為視覺系統(tǒng)的α振蕩、感覺運動系統(tǒng)的mu(μ)節(jié)律和聽覺系統(tǒng)的tau (τ)節(jié)律。即使在沒有味覺輸入的情況下，在味覺皮層中也發(fā)現(xiàn)了類似的α機制。在擁有大面積視覺皮層的靈長類動物中，閉眼會在新皮層的枕后部分引起廣泛的α振蕩。海馬θ振蕩可能是已知的唯一頻率與大腦大小成反比的節(jié)律。嚙齒動物的6 -12Hz θ振蕩在食肉動物中減慢到4-6Hz。θ頻率在人類中是最慢的(1 - 4Hz)。

圖3 跨頻率耦合有助于大腦節(jié)律的體系。(a)來自大鼠新皮層第5層的局部場電位示蹤(1Hz-3kHz)和來自海馬CA1錐體層的濾出(140-240 Hz)，說明了“波紋”的出現(xiàn)。δ波的峰值和睡眠紡錘波的波谷用星號標出。(b)以海馬波紋為中心的新皮層活動的海馬波紋功率譜圖。

在各種哺乳動物物種中，節(jié)律的保持是支持時間作為大腦動力學中最重要的組織原則的一個重要論據(jù)。雖然不同物種的大腦節(jié)律變化很小(30%到100%)，但從最小的到最大的哺乳動物，大腦的大小會增加數(shù)百到數(shù)千倍。這種縮放過程對大腦發(fā)育造成了嚴重和關鍵的限制。雖然模塊化的新皮層可以在體積上成倍擴大，但與時間相關的問題似乎從根本上塑造了大腦的系統(tǒng)發(fā)育。為了在皮層增殖時保持時間尺度，更多的長距離軸突通路和更有效的軸突髓鞘被部署。相比之下，在大腦較大的哺乳動物中，海馬體θ振蕩頻率降低的一個潛在論點是，海馬體是一個單一的皮質模塊，它的生長受到軸突傳導延遲的限制。海馬體CA3區(qū)的錐體神經(jīng)元支配著海馬體的很大一部分，連接著遠處的對等神經(jīng)元，需要較長的軸突長度，因此，延遲時間更長。隨著結構的增長，延遲的增加可能導致θ節(jié)律的減慢。

重要的是，節(jié)律可以根據(jù)特定物種的需要有效地適應。例如，行走和呼吸節(jié)律的中樞模式生成器根據(jù)生態(tài)需求而變化，從大型水生哺乳動物每分鐘0.5個模式到小鼠每分鐘100個模式。相反，跨物種大腦振蕩的穩(wěn)定性似乎反映了時間的重要性，以及相同編碼機制的遺傳。

大腦振蕩為神經(jīng)有序排列提供了框架

大多數(shù)網(wǎng)絡振蕩是基于抑制的，其中主要神經(jīng)元群體由抑制突觸后電位的重復序列來調(diào)節(jié)。這些節(jié)律性抑制的排布提供了主要細胞興奮性交替降低和增強的窗口。基于抑制的振蕩可能通過提供一種自然的方法來“停止”神經(jīng)元信息流的信號，方法是暫時使主要細胞沉默，并將信息流“分組”到更短的時間幀中，在傳遞信息的主要細胞中出現(xiàn)具有特征的最大和最小峰值活動。

一般來說，語法是一組原則，它允許使用最少的規(guī)則從有限的元素生成豐富的組合。有人假設，神經(jīng)元語法的基本元素是在γ節(jié)律中一起放電的神經(jīng)元的集合。細胞集合最重要的作用是將足夠數(shù)量的相鄰神經(jīng)元聚集在一起，使它們的集體峰值能使下游突觸后神經(jīng)元中的適當數(shù)量超過放電閾值。因此，從下游靶細胞的角度來看，上游神經(jīng)元的集體活動只有在它們的峰值出現(xiàn)在時間積分窗口內(nèi)時才被歸類為單一事件；如果信號在這個時間尺度內(nèi)發(fā)生，它們將被合并為一個單一事件。多個γ節(jié)律，每個包含它們自己的細胞組合，可以被認為是“神經(jīng)字母”，然后這些字母可以組合成“單詞”和后來的“句子”。

綜上所述，跨頻率相互作用的層次性可能反映了一種句法組織機制。重要的是，LFP γ振蕩片段可以作為組合的代理，并用于監(jiān)測神經(jīng)元通信的生理和疾病相關的改變。

大腦振蕩支持區(qū)域間的交流

如前所述，有效的通信要求消息通過發(fā)送方和接收方都知道的語法規(guī)則。大腦網(wǎng)絡已經(jīng)進化出了自己的自組織(“自發(fā)”)模式，無論傳感器或發(fā)送者網(wǎng)絡傳遞的信息是被放大還是被忽略，這種模式都能有效地阻止或偏向。

為了更好地說明這些現(xiàn)象，我們將從感覺系統(tǒng)開始，它不是“隨時準備”的閱讀機制，而是與專門的運動系統(tǒng)共同進化，致力于使這些感覺系統(tǒng)最有效地運行。這些專門的運動輸出，如舔、嗅、拍打、觸摸、眼跳運動或其他門控機制，通過優(yōu)化傳感器的方向，從而最大化它們對環(huán)境采樣的能力，協(xié)助它們特定的感覺系統(tǒng)。除了優(yōu)化傳感器，自頂向下的機制在短時間內(nèi)提供進一步的放大和濾波。這種主動機制可以產(chǎn)生瞬時增益，增強感覺系統(tǒng)選擇性處理輸入的能力。這種短暫的增益調(diào)整可能在視覺中發(fā)揮關鍵作用，其中眼跳運動允許對視覺輸入進行間斷和主動的采樣。這一機制可以解釋為什么靜止的圖片在較高的視覺區(qū)域幾乎無法檢測到峰值率的變化，而頻繁掃視掃描的電影剪輯卻能強烈激活相同的細胞。綜上所述，感覺的順序似乎如下：產(chǎn)生一個內(nèi)部計劃，允許選擇性放大預先計劃的輸入和抑制其他信息流，最后檢測。這種主動采樣機制通常被稱為注意或選擇性注意。

我們假設，與感覺系統(tǒng)類似，大腦的高階區(qū)域采用了類似的啟動機制來有效處理傳入信息。例如，在慢波睡眠期間，神經(jīng)信息從海馬體(“發(fā)送者”)轉移到新皮層(“讀者”)，可以由新皮層神經(jīng)元在慢波睡眠期間發(fā)生的新皮層慢振蕩中過渡到去極化/活躍狀態(tài)而啟動。這些新皮層(接收者)興奮性的波動可以使海馬(發(fā)送者)的振蕩峰值含量偏置，從而允許海馬返回信號，并相互影響那些在緩慢振蕩的持續(xù)去極化狀態(tài)下仍在積極峰值的新皮層群體。在清醒的大腦中，方向是相反的：由海馬體通過(發(fā)送者)新皮層網(wǎng)絡動態(tài)的θ相位來控制局部γ振蕩。

3. 大腦振蕩的層次結構是由跨頻耦合形成的

腦節(jié)律之間可以通過多種機制相互作用，包括相-相、相-幅和幅-幅包絡耦合(圖2)。在最簡單的情況下，相同或不同解剖結構中頻率相似的振蕩可以通過一種稱為相位耦合的機制相互牽引，相位耦合可以通過相干性或更先進的方法來測量。一個著名的相-相耦合的例子是貫穿海馬體-內(nèi)嗅皮層系統(tǒng)的相干θ振蕩。通常，當頻率相似的振蕩耦合時，總頻率由最快的一個決定。

頻率相近的振蕩之間的相互作用在時間上不太精確，但卻很重要，它用功率的時間共變來表示，稱為功率-功率耦合。在各種網(wǎng)絡中，兩個或多個振蕩的功率-功率同步可以通過交叉頻率相位-振幅耦合或嵌套振蕩來協(xié)調(diào)。慢振蕩能影響大腦多個區(qū)域的快振蕩的一個原因與皮層神經(jīng)元的傳導速度有關。與快速振蕩相比，慢速振蕩涉及更大體積的更多神經(jīng)元，并與更大的膜電位變化相關。

一些研究已經(jīng)證明了跨頻率耦合的生理效用。例如，大鼠海馬和紋狀體的θ-γ耦合強度受任務要求的影響。在選擇任務的工作記憶階段，前額葉皮層的4Hz振蕩與γ功率之間的耦合幅度增加。在植入深度電極的患者中，海馬區(qū)θ-γ耦合的大小隨工作記憶負荷的變化而變化。計算模型表明θ相嵌套γ波可以支持多項工作記憶，允許對單個項或地點進行離散表示和排序。

當兩種節(jié)律的頻率之間存在整數(shù)關系時，另一種跨頻相互作用稱為跨頻相位-相位或n:m耦合。在n:m相位鎖定中，可以觀察到與一個頻率的“驅動”周期相關的m個事件，發(fā)生在另一個“刺激”周期的n個不同時間或階段。當多個振蕩同時存在時，相-相耦合可能不會特別明顯。然而，由于重復序列n:m圖樣在時間上是周期性的，對于不同的n:m比，可以計算振蕩相位之間的差的分布?，F(xiàn)在已經(jīng)有描述大鼠和人的θ-γ節(jié)律之間的相-相跨頻同步(圖4)和工作記憶任務中的人腦磁圖(MEG)中β -γ振蕩之間的同步。

圖4 振蕩之間的相-相耦合。

(a)海馬θ和γ振蕩之間的相-相關系。注意，更快和更慢的γ振蕩同時存在。

(b)幾個經(jīng)過濾波的γ頻帶在不同n:m (θ:γ)關系(1:1,1:2....1:12)下計算的θ和γ相差分布。

跨頻耦合現(xiàn)象有力地證明了多種腦節(jié)律在空間和時間上的層次組織，暗示了大腦中的時間是在多個相關尺度上表示的。計算模型已經(jīng)探索了跨頻耦合的潛在理論優(yōu)勢，并且跨頻耦合的機制可能形成神經(jīng)語法的主干，它允許將序列分割和連接到細胞組(“字母”)和組序列(神經(jīng)“詞”)。

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雖然局部場電位提供了關于神經(jīng)元群體行為的可靠信息，但它們并不完全代表神經(jīng)元間通信的真正通用貨幣:動作電位，或細胞“發(fā)射”的“峰值”。雖然局部場電位振蕩可以被視為一種關于特定神經(jīng)元群體的動作電位產(chǎn)生的狀態(tài)的信號，但它主要是神經(jīng)元的動作電位輸出。通過實驗，對振蕩的峰值內(nèi)容有了更好的理解。

其中一個例子就是海馬體的“位置細胞”:海馬體的錐體和顆粒細胞會顯示出與大鼠在其環(huán)境中的位置相關的有秩序的動作電位。這些神經(jīng)元的集合提供了足夠的空間信息，可以用來定義空間的特定位置。此外，在奔跑/移動的動物中，通過一系列具有空間組織的海馬位置細胞神經(jīng)元的激活，它們對動物未來將訪問的地方有一個不斷更新的預測過程。在一個給定的θ節(jié)律中，在該周期的低谷處活躍的神經(jīng)元似乎代表了大鼠當前的位置，在該周期早期活躍的神經(jīng)元似乎代表了已經(jīng)去過的地方，而在θ節(jié)律后期活躍的神經(jīng)元則代表了未來的位置(圖5)。這些預測激活神經(jīng)元的時間關系受一個“壓縮規(guī)則”控制:在θ周期內(nèi)，神經(jīng)元的峰值時序序列預測了大鼠路徑中即將出現(xiàn)的位置序列，更大的時滯比例代表更大的距離或時間(圖5)。時間壓縮機制對海馬神經(jīng)元的組織具有重要影響。由于在θ周期內(nèi)位置細胞尖峰之間的時間偏差很小，許多重疊位置神經(jīng)元的尖峰相加會產(chǎn)生一個頻率比組成神經(jīng)元的振蕩頻率慢的群振蕩。

圖5 海馬體中的多個時間表征。

兩個CA1錐體細胞(綠色和藍色)在線性軌跡(黑色)上有重疊的位置場表示。動物從位置1(綠色)的峰值(虛線)到達位置2(藍色)需要幾秒鐘。

中間圖，作為大鼠在軌道上的位置和它們的θ相位的函數(shù)的尖峰圖。每個點都是一個動作電位。

右圖，參照峰(藍色)和綠色神經(jīng)元在θ時間刻度(箭頭)上的時間偏移，如交叉相關圖所示。位置細胞尖峰在θ周期內(nèi)的時間偏移與它們的距離(或時間)表示是相關的。

位置神經(jīng)元之間的θ周期內(nèi)時間滯后在很大程度上決定了海馬系統(tǒng)的全局相干θ振蕩。不同時間尺度之間關系的一個重要推論是，即使大鼠的奔跑速度不同，位置細胞在相同的環(huán)境中仍然代表相同的位置和距離，因為位置細胞的振蕩頻率與速度成比例地增加。另一個分支是θ振蕩時間編碼的自然上限受到θ周期持續(xù)時間的限制。在這幅神經(jīng)元脈沖時間圖上，大鼠前方50cm的物體和位置最初與較遠的地標難以區(qū)分，但隨著動物靠近，它們逐漸被更好地分辨。由于這種時間上的限制，海馬體就像一個“空間變焦”裝置，所以距離分辨率會隨著環(huán)境的大小而變化。

上述海馬體研究的例子表明，對多個時間尺度的表征是皮層功能的基本特征。類似的編碼策略可能支持“網(wǎng)格細胞”的出現(xiàn)(神經(jīng)元不僅活躍在環(huán)境中的特定位置，而且占據(jù)了在等邊三角形網(wǎng)格中有規(guī)律間隔的一系列位置)，以及前額葉皮層和其他結構中的其他復雜功能。多時間尺度表征是大腦中的普遍現(xiàn)象。

因此，神經(jīng)元振蕩以多種方式組織多個神經(jīng)元的峰值活動，這似乎允許預測、回憶、鞏固和創(chuàng)造性聯(lián)想。此外，這似乎是一種比空間處理系統(tǒng)應用更廣泛的現(xiàn)象，可能是大量有效的神經(jīng)信息處理的基礎。

振蕩可以促進峰值同步和異步

振蕩和同步通常被同義使用，針對網(wǎng)絡振蕩作用的一個反對意見是，有節(jié)奏放電的神經(jīng)元是可預測的，峰值同步在很大程度上是多余的。根據(jù)這一推理，最同步的網(wǎng)絡模式發(fā)生在睡眠、麻醉和各種疾病(如癲癇和帕金森病)期間。與這些狀態(tài)相反，表征系統(tǒng)的有效性的特點是各組成部分之間的相互作用極小，而行為任務中的行為表現(xiàn)的改善往往表現(xiàn)為增加峰間可變性和減少神經(jīng)元之間的峰間相關性。這一觀點似乎與神經(jīng)元振蕩增強神經(jīng)元編碼能力的說法大相徑庭。

大腦皮層錐體神經(jīng)元之間的快速通信是由AMP - a型谷氨酸受體建立的，這種受體較弱，傳輸失敗的可能性較大。因此，為了將信息傳遞給相鄰的神經(jīng)元，錐體細胞應該以短暫的聯(lián)合或細胞集合的形式聚集在一起。顳葉集合形成的目的是釋放下游神經(jīng)元。因此，對于有效的通信有一個最低水平的同步要求，它可能是γ節(jié)律定義的細胞組來代表一個可用的信息包，其中包含不同的具體內(nèi)容。

用相位同步法可以建立出局部γ振蕩與更全局的較慢節(jié)律之間的跨頻耦合。然而，這種耦合機制并不意味著較慢的振蕩放大了γ節(jié)律的同步性。相反，γ節(jié)律分布在調(diào)制慢振蕩的相空間中。在基于抑制的振蕩中，組合被用于故意延長時間，而不是縮小同步的時間窗口。與直觀的“振蕩增強-同步”圖相反，主神經(jīng)元之間的時間同步在θ波振蕩時最低，而在慢波睡眠時最高。另一個反直覺的觀察是，海馬主要細胞的峰間間隔變異系數(shù)(CV)在θ波振蕩相關的探索行為中也是最大的，在慢波睡眠中最小。θ振蕩這種“矛盾”的異步和尖峰可變性促進的潛在機制是它能夠在時間上協(xié)調(diào)神經(jīng)元的興奮性和抑制性突觸輸入。

5. 神經(jīng)振蕩和峰值動力學與精神疾病的關系

網(wǎng)絡振蕩的時間協(xié)調(diào)特性不僅與健康的大腦有關，也與精神疾病的病理過程有關。精神疾病包括情緒、感知和現(xiàn)實測試障礙的癥狀，更不用說有些不太明確的人格障礙和其他特征障礙，其中描述了社交、依戀和整體個人功能的更微妙的紊亂。所有精神疾病都有大腦的基礎，很可能是電生理學過程。我們相信，神經(jīng)元振蕩為加強動物研究和精神疾病之間的聯(lián)系提供了正確的探索水平，因此我們在這一領域的進展工作下面簡要回顧，并討論可能的未來方向。

作為可量化表型的腦振蕩

腦振蕩是哺乳動物最具遺傳性的特征之一，自最早的人類腦電圖研究以來，已有180個已知的腦振蕩特征。在早期個體發(fā)育期間，大腦生理經(jīng)歷了巨大的變化，這些變化持續(xù)到成年。然而，盡管有這些發(fā)展/成熟的變化，當幾個月后重新測試時，主題內(nèi)的模式非常穩(wěn)定，比主題間的變化更穩(wěn)定。健康的成年人在睡眠期間在8 - 16 Hz波段表現(xiàn)出非常穩(wěn)定的功率譜模式，這使得90%的個體辨別正確，獨立于教育水平或一般智力。同卵雙胞胎自發(fā)腦電圖在所有頻率和腦區(qū)均表現(xiàn)出高度的相似性。雜合子雙胞胎的一致性較非雙胞胎兄弟姐妹低，但仍高于非雙胞胎兄弟姐妹。不僅自組織(“自發(fā)”)，而且反應模式也受到強大的遺傳控制，如視覺誘導γ頻帶(45-85 Hz)活性的高遺傳指數(shù)所示(圖6)。

圖6 大腦節(jié)律是由基因調(diào)節(jié)的，是獨一無二的。

(A, B)單合子(MZ)雙胞胎中視覺誘導γ帶活性的時頻顯示。

(C)控制期(綠色)和視覺刺激期(紅色)腦磁圖活動的平均譜功率。

D-F，與異卵雙胞胎的A - C相同。MZ相對于DZ，MEG的頻率和時間動態(tài)變化有更強的相似性。

如果利用腦電圖和腦磁圖(MEG)對個體進行指紋識別是可能的，那么從大腦活動的角度來表征神經(jīng)和精神疾病無疑是一種有用的方法。雖然腦電圖是確定和描述某些神經(jīng)和精神疾病的最古老的診斷工具之一，但最近在理解大腦節(jié)律的起源和生理意義方面取得的進展重新引起了對這一臨床研究領域的興趣。

精神疾病的振蕩表型

最近大量的文章報道了精神分裂癥患者在各種行為任務中的γ頻帶振蕩受損。此外，精神分裂癥患者都有局部γ振蕩的減弱，也有跨半球或其他大解剖距離的γ同步擾動。此外，許多最近的報道將γ振蕩干擾的程度與精神分裂癥癥狀的程度相關，包括精神分裂癥典型的認知障礙、陽性癥狀(如幻覺和妄想)和陰性癥狀(如情感遲鈍、快感缺乏、厭學狀態(tài))。最后，這些γ干擾也存在于精神分裂癥患者的一級親屬中，其本身沒有典型的精神分裂癥癥狀，因此可能是一種可追溯的內(nèi)顯型。精神分裂癥患者睡眠時紡錘體的θ-γ相耦合也明顯減少。鑒于谷氨酸神經(jīng)元是神經(jīng)信號的主要中樞，γ振蕩擾動也可能指向谷氨酸系統(tǒng)的改變。事實上，數(shù)據(jù)顯示，針對精神分裂癥的谷氨酸靶向治療可能對精神分裂癥患者有效。

抑郁癥現(xiàn)在也很普遍，許多研究已經(jīng)注意到抑郁患者與對照組之間的振蕩相關的差異:α和β節(jié)律功率增加，大腦半球額側的不對稱α。這種差異可能被用來更好地治療這種使人衰弱、有時甚至致命的疾病。目前，雖然存在各種各樣的抑郁癥治療方法，但目前藥物治療的技術水平是基于統(tǒng)計信息的試驗和錯誤。這是由于沒有可靠的方法來確定哪種藥物對哪個病人有效。一個特別與臨床相關的問題是，一種特定的測量方法是否可以用于為特定患者選擇哪種藥物。一些研究發(fā)現(xiàn)，一種名為LDAEP(聽覺誘發(fā)電位的響度依賴性)的測量方法可以區(qū)分患者對血清素抗抑郁藥和非血清素抗抑郁藥的反應。

一種新的治療方法

如今，精神病學治療的主要模式是基于藥理學。在睡眠和解決任務的實驗中，大腦網(wǎng)絡特定的振蕩和它們相互作用的跨頻率耦合可以有效地量化，而且由于網(wǎng)絡模式受到大量精神藥物的特異性和差異影響，因此可以用于早期篩查。不同于人類和動物模型之間在許多測量方法上的藥物反應常常不同，網(wǎng)絡振蕩的藥理學特征在所有哺乳動物物種中是相同的。

為了進行更詳細的分析，可以對動物的多個單個神經(jīng)元進行大規(guī)模記錄，以評估藥物的效應和新/其他藥物。當然，這類工作將從人類疾病網(wǎng)絡改變的研究中獲得信息，一旦動物的發(fā)現(xiàn)得到實現(xiàn)，它們就可以應用到人類身上。

此外，以振蕩為中心的方法為基于藥物的干預提供了另一種選擇：基于對大腦活動本身的測量，進行異常大腦活動校正。這種方法在耐藥的情況下當然很有吸引力，但作為一線治療也可能有用，特別是如果它們能保持非侵入性的話。事實上，這類療法的一個版本已經(jīng)以生物反饋的形式存在了多年，即向患者展示他們大腦節(jié)律的各種變化，并要求他們通過認知控制將大腦節(jié)律改變到特定的方向。通過不同程度的練習，患者能夠學會自我改變他們的大腦振蕩。盡管這種反饋療法已經(jīng)使用了幾十年，但治療結果一直存在爭議，且不理想。

對于更極端或難以控制的癥狀，異常的大腦活動原則上可以通過適當模式的電刺激恢復。此外，在許多疾病中，癥狀不規(guī)律地、不可預測地反復出現(xiàn)，并常常間隔很長時間無癥狀。在這種情況下，不影響大腦其他方面功能的閉環(huán)反饋大腦控制是可取的。有效的臨床應用閉環(huán)治療有兩個基本要求。第一個是記錄和識別因果病理生理網(wǎng)絡模式。第二個要求是對目標電路的閉環(huán)反饋刺激，其激活可以干擾新出現(xiàn)的病理模式。圖7顯示了這種方法的原理證明。采用經(jīng)顱電刺激(TES)或光遺傳激活新皮層作為效應器，閉環(huán)反饋可有效縮短癲癇發(fā)作時間。

圖7 丘腦皮質的閉環(huán)相互作用。(A)實驗裝置。在雙轉基因小鼠的丘腦網(wǎng)狀核內(nèi)放置光纖誘導癲癇發(fā)作；如圖(C)所示。(B)丘腦皮層回路的示意圖。

6. 總結

本文提出了一些替代療法的想法，比如閉環(huán)反饋，它不僅可以避免用于精神疾病的制藥費用減少的問題，而且可能會觸及到這些復雜疾病迄今為止無法治療的方面，因為它們可能通過根本不同的方式起作用?？傊?，我們認為，從振蕩和與集合相關的快速時間尺度神經(jīng)活動的角度來研究精神疾病，至少將得到對精神疾病癥狀基礎的新理解，也可能代表著通向新的和有用的治療方法的道路。

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