经典综述 | alpha振荡的门控抑制理论

本文介绍的是一个经典的关于脑电alpha振荡的理论：门控抑制（gating by inhibition）理论，作者是研究神经振荡的大牛Ole Jensen。尽管这篇综述不是发表在非常高分的期刊上，但影响力很大，至今已接近2000次引用（是Ole目前单篇被引最多的，甚至超过了他一系列Nature、PNAS、TiCS等文章）。

大脑是以网络的形式起作用的，这其中的关键就是不同网络节点之间的信息交流。这个问题也可以被抽象为：信息是如何准确地从一个输出节点到达某个正确的接受节点的。

这个问题可以通过突触强度的快速变化来实现，例如由于突出前膜囊泡释放的变化（图1A）。此外，这种任务相关区域之间的功能连接也可以通过输出和接受节点间振荡性的相位耦合来实现（图1B）。而本文对此提出的一个观点是，信息可以通过功能性地阻断与任务无关区域之间的通路（即门控抑制）来实现这个问题（图1C），且这种抑制反映在alpha振荡（8-13 Hz）的活动上。

图1  信息在网络中的门控原则（假设信息要从节点a传送到节点b，但不要a传到c）。A：第一种可能是通过a和b之间突触连接强度的增强，a和c之间强度减弱来实现的，这需要快速的突触可塑性的机制；B：第二种可能是信息通过不同节点之间的神经信号相位同步来实现的，通过调整相位差，从而阻断不必要的信息传递；C：门控抑制的假说。也就是节点c被功能性地抑制了，这导致a只能把信息传递到b。这种门控抑制能够反映在alpha振荡上。

对alpha振荡功能的经典解释是它反映了皮层的空闲状态，但近期发现alpha活动也参与认知加工，起到功能性抑制（functional inhibition）的作用。也就是说，在一个认知任务中，认知活动涉及到的相关脑区的alpha活动会降低（去抑制），不涉及到的脑区的alpha活动会增加（抑制）。

比如图2展示的研究（Jokisch & Jensen, 2007; J. Neurosci.），使用延迟匹配样本任务，要求被试判断出现面孔身份（identity; ID; 涉及腹侧通路）或面孔朝向（orientation; OR; 涉及背侧通路），基于MEG信号的时频分析（图2B）结果发现，alpha活动在涉及腹侧通路的ID任务中增加，在涉及背侧通路的OR任务中保持较低水平。头皮地形图（图2C）和源分析（图2D）表明，在ID任务中alpha活动的增加主要位于中央后部的顶枕区域。这个研究的关键结果表明，在进行涉及腹侧通路的ID任务时，背侧通路的活动被alpha振荡抑制了。这只是一个例子，这种alpha的功能性抑制在各种模态的任务中都有被发现。

图2  当腹侧通路被调用时，未被调用的背侧通路的alpha能量的增加 （Jokisch & Jensen, 2007，J. Neurosci.）

另一些研究表明，在任务无关区域的alpha活动的增加与任务表现的提高有关。如图3所示，在一个躯体感觉的工作记忆任务中，被试右手接受感觉刺激（由于对侧传导，右手刺激是左脑加工）。结果发现，在记忆保留阶段，与任务无关的右侧大脑感觉运动区的alpha能量出现增加，且这种alpha能量的增加和任务表现呈正相关。同样，这也只是一个例子，alpha活动增加与任务表现的关系也在其他任务中被发现。因此，作者认为最优的任务表现取决于关闭与任务无关区域的信息传递，从而将认知资源分配给任务相关的区域。

图3   A：躯体感觉工作记忆任务（右手施加刺激，任务是询问刺激的频率是高是低）；B：正确试次和错误试次情况下alpha能量的对比，发现右半球（任务无关区域）的alpha活动在正确反应的时候更强；C：时频分析表明，这种任务依赖的效应是在alpha频段表现明显；D：这种任务相关alpha活动的溯源是在右侧感觉运动区和顶枕区。

此外，越来越多研究发现，刺激前（pre-stimulus）的alpha振荡也对之后的信息加工有强烈的影响（包括但不限于感知觉、行为抑制等任务）。有趣的是，当一个错误发生后，后侧alpha活动也会减弱，好像是为了防止下次继续犯错。EEG和TMS的联合研究也表明，刺激前的alpha活动起到了功能性抑制的作用。不过，这种alpha活动和抑制的关系是线性的还是倒U型的仍然存在争议。总之，刺激前的alpha活动也很可能参与到脑网络的功能中，从而为随后的信息加工做准备。

之后，作者介绍了alpha活动的“脉冲抑制”（pulsed inhibition）。研究发现，个体的视觉检测能力与alpha振荡的相位有关（见下图），行为表现会随着alpha相位的变化而波动性变化，也就是说alpha活动的抑制功能是有周期的“脉冲抑制”，即大约每100ms产生一次抑制。

补充图：视觉检测能力与alpha振荡相位的关系；红色为未检测到视觉刺激时的alpha相位平均，蓝色为检测到时的alpha振荡平均相位（Van Diepen et al., 2019; Curr Opin Psychol）。

这种现象和近期发现的gamma活动受到alpha相位的调节是一致的。因此作者认为，alpha活动的增加反映了抑制的程度，它可以破坏正在进行的gamma活动。相比于alpha的抑制，gamma振荡活动被认为和各类认知加工有关，且gamma活动的增加通常伴随着alpha活动的降低。如图4所示，当alpha活动越强，gamma的工作周期越短。至于alpha抑制功能的生理学依据，研究者认为是来自中间神经元的GABA能反馈（GABA: γ-氨基丁酸，一种抑制性神经递质）。

图4  Alpha的脉冲抑制。上面的波形是低频的alpha，下面的波形是高频的gamma。在alpha变强的脉冲抑制阶段，gamma活动的工作周期（duty-cycle）会变短，和涉及的神经计算也会随之减弱。

这种alpha和gamma活动的关联性变化很可能反映了不同脑区间的信息跨频交流。作者提到未来研究可以进一步探究alpha能量和gamma能量间耦合，又由于脉冲抑制，可以探究alpha相位和gamma能量间的耦合等等。

从EEG和fMRI同步记录的研究中也可发现alpha和gamma的这种变化关系。大量研究发现，alpha活动强度和fMRI的BOLD信号（可以看做是脑区的激活）是存在负相关的（如下图），但gamma活动和BOLD信号是存在正相关的。因此脑成像研究也可进一步探索任务无关脑区BOLD信号下降与任务表现、alpha活动的关系。如果可以发现这样的结果，说明alpha的抑制门控假说也可应用于fMRI研究中。

补充图   刺激诱发的视觉皮层BOLD信号强度（下图）是受到alpha振荡的相位变化（上图）调节的。alpha强度和BOLD信号强度是负相关的（Van Diepen et al., 2019; Curr Opin Psychol）。

总结而言，本文提出了一个关于alpha振荡功能的经典假说：信息是通过对任务无关区域的功能性抑制来进行门控的，这种抑制能够反映在alpha振荡上。要达到最佳的行为表现，我们需要对任务无关区域进行抑制，因此alpha振荡的活动也直接与个体的行为表现相关。

本文文献：

Jensen, O., & Mazaheri, A. (2010). Shaping functional architecture by oscillatory alpha activity: gating by inhibition. Front Hum Neurosci, 4, 186. doi:10.3389/fnhum.2010.00186

后续关于alpha和抑制的争论文献：

1. Foster, J. J., & Awh, E. (2019). The role of alpha oscillations in spatial attention: limited evidence for a suppression account. Curr Opin Psychol, 29, 34-40. doi:10.1016/j.copsyc.2018.11.001

2. Van Diepen, R. M., Foxe, J. J., & Mazaheri, A. (2019). The functional role of alpha-band activity in attentional processing: the current zeitgeist and future outlook. Curr Opin Psychol, 29, 229-238. doi:10.1016/j.copsyc.2019.03.015

3. Schneider, D. et al. (2020). Target Enhancement or Distractor Suppression? Functionally Distinct Alpha Oscillators form the Basis of Attention. BioRxiv