理解認知及其功能失調 — 神經科學家必須學習其節奏 | 麻省理工學院新聞

思考的起源

用顯微鏡觀察手機上的像素可能會很有趣，但如果你想了解螢幕上整個影片的內容，那就不太有幫助了。大腦的認知也是一樣的道理。麻省理工學院 (MIT) 的三位神經科學家認為，只有觀察數百萬個細胞如何協同運作，才能理解思考的本質。在一篇新文章中，他們提出了一個框架，幫助我們理解思考是如何從神經活動的協調中產生的，這些活動是由振盪的電場驅動的，也被稱為大腦的「波」或「節奏」。

大腦節奏的重要性

歷史上，大腦節奏被認為只是神經活動的副產品，但實際上它們對組織神經活動是非常重要的。Picower 教授 Earl Miller 和研究科學家 Scott Brincat 及 Jefferson Roy 在《行為科學的當前觀點》雜誌中寫道。雖然神經科學家從研究單個大腦細胞如何連接以及它們何時發出「尖峰」來傳遞信號中獲得了大量知識，但也需要理解和應用新的概念，特別是在大腦節奏的層面上，這可以跨越單個或多個大腦區域。

「尖峰和解剖學很重要，但大腦中還有更多的功能正在發生，特別是認知方面。」Miller 說，他是麻省理工學院 (MIT) Picower 學習與記憶研究所及大腦與認知科學系的成員。「在更高的層面上，尤其是認知方面，有很多功能正在進行。」

研究大腦的意義

作者們寫道，研究大腦的這一層面，不僅有助於理解健康的高級功能，還有助於了解這些功能在疾病中如何受到干擾。

「許多神經和精神疾病，如精神分裂症、癲癇和帕金森病，都涉及到神經同步性等新興特性的干擾。」他們寫道。「我們預計，理解如何解讀和與這些新興特性互動，對於開發有效的治療方法以及理解認知將是至關重要的。」

思考的出現

研究人員寫道，單個神經元的活動與許多細胞的協調之間的橋樑是電場。通過一種稱為「電耦合」的現象，神經元活動產生的電場可以影響鄰近神經元的電壓，從而使它們之間產生一致性。這樣，電場既反映了神經活動，也影響了它。Miller 和同事們在 2022 年的一篇論文中通過實驗和計算模型顯示，神經元群體產生的電場中編碼的信息比單個細胞的尖峰編碼的信息更可靠。在 2023 年，Miller 的實驗室提供了證據，表明節奏電場可能在不同區域之間協調記憶。

在這個更大的範疇中，節奏電場在大腦區域之間傳遞信息，Miller 的實驗室發表了許多研究，顯示所謂的「β波」的低頻節奏起源於大腦皮層的深層，並似乎調節了更表層的「γ波」的強度。通過記錄參與工作記憶遊戲的動物的大腦神經活動，實驗室顯示，β波攜帶「自上而下」的信號，以控制何時和何地γ波可以編碼感官信息，例如動物需要記住的遊戲圖像。

β波的控制作用

實驗室的一些最新證據表明，β波將這種對認知過程的控制應用於皮層的物理區域，基本上像模板一樣規劃了γ波何時何地可以將感官信息編碼到記憶中或檢索出來。根據這一理論，Miller 稱之為「空間計算」，β波可以確立任務的一般規則（例如，開啟密碼鎖所需的來回轉動），即使具體的信息內容可能會改變（例如，當密碼改變時出現的新數字）。更一般地說，這一結構還使神經元能夠靈活地同時編碼多種信息，作者們寫道，這是一種廣泛觀察到的神經特性，稱為「混合選擇性」。例如，編碼鎖密碼的數字的神經元，根據它所在的β波模板區域，也可以被指派為該數字在解鎖過程中所需的特定步驟。

大腦節奏的組織能力

在這項新研究中，Miller、Brincat 和 Roy 提出了另一個優勢，這與基於大規模協調的節奏活動的認知控制相一致：「子空間編碼」。這一想法假設大腦節奏組織了可能由 1,000 個神經元獨立尖峰活動所產生的巨大數量的可能結果。由於神經元是協調的，而不是獨立的，因此實際上出現的活動「子空間」要少得多，而不是所有的組合可能性。就像一群鳥協調它們的動作一樣，神經元的尖峰活動也如此。大腦節奏的不同相位和頻率提供了這種協調，彼此對齊以增強彼此，或偏移以防止干擾。例如，如果需要記住一段感官信息，代表該信息的神經活動可以在感知到新的感官信息時受到保護，避免干擾。

「因此，神經反應的組織成為子空間可以同時隔離和整合信息。」作者們寫道。

結論

作者們寫道，大腦節奏協調和組織信息處理的能力使得功能性認知能夠在這一層面上出現。因此，理解大腦中的認知需要研究節奏。

「孤立地研究單個神經元和突觸等個別神經組件，對我們理解大腦做出了巨大貢獻，並且仍然很重要。」作者們總結道。「然而，越來越明顯的是，為了充分捕捉大腦的複雜性，這些組件必須協同分析，以識別、研究和關聯它們的新興特性。」