PNAS：人类首次利用新型脑磁图可视化快速大脑信号

大脑内部信息的处理是人体最复杂的过程之一。这一过程的中断通常会导致严重的神经紊乱。因此，对大脑内部信号传输的研究是理解很多疾病的关键。

为了观察大脑的神经细胞以“思维的速度”运行，而不需要在大脑内部放置电极。当前研究人员常使用两种具有高时间分辨率的技术：脑电图(EEG)和脑磁图(MEG)从颅骨外可视化大脑活动。通过这两种技术测量慢电流的结果是可靠的，然而，测量的那些快电流的结果并不好。

大脑处理信息时既使用慢电流，也使用快电流。到目前为止，研究人员必须使用放置在大脑内的电极来测量电快流。当一个神经细胞产生的信号被另一个神经细胞接收到时，就会产生慢电流(称为突触后电位)。随后的脉冲(将信息传递给下游的神经元或肌肉)的激发会产生持续时间仅为一毫秒的快速电流，这些被称为动作电位。

来自柏林Charité-Universityätsmediz和Physikalisch-Technische Bundesanstalt(PTB)的研究人员使用新型特MEG设备，首次成功地可视化了这些来自外部的快速大脑信号。

研究人员表示：“到目前为止，我们只能观察神经细胞接收信息的过程，而不是它们对单一感官刺激做出反应传递信息的过程。”

在研究团队的努力下，这个跨学科的研究小组成功地提高了脑磁图(MEG)技术敏感度，使其能够探测到单一感官刺激所产生的快速大脑振荡。

静息状态记录的振幅谱密度与无被摄体的系统噪声的比较

研究人员通过显著降低MEG设备本身产生的系统噪声来实现这一点。研究人员表示：“MEG设备内部的磁场传感器被浸在液氦中，将其冷却到-269°C (4.2 K)。要做到这一点，冷却系统需要复杂的热绝缘。这种超级绝缘由铝涂层箔组成，从而屏蔽与神经细胞相关的小磁场。我们现在已经改变了超级绝缘的设计，以确保这种噪音不再是可测量的。通过这样做，我们成功地将MEG技术的灵敏度提高了10倍。”

研究人员以刺激手臂上的神经为例，证明这种新设备确实能够记录快速的脑电波。研究人员在4名健康受试者的手腕的特定神经施施加了电刺激，同时将脑磁图传感器定位在大脑区域的正上方，该区域负责处理对手部的感官刺激。为了消除外部的干扰源，如电网和电子元件，测量是在PTB的一个屏蔽记录室进行的。

A和B：平均体感诱发反应；C和D：脑磁图反应的平均锁相和不敏感时频(TF)表示；E：以及单次试验反应的超额方差分析；受试者S1的示例性数据。

研究人员发现，通过这样做，他们能够测量大脑皮层中一小部分同时被激活的神经元对单个刺激做出反应时产生的动作电位。Waterstraat博士说:“这是首次，一种非侵入性的方法使我们能够观察大脑中的神经细胞对单一感官刺激的反应发送信息。”

他表示:“一个有趣的发现是，这些快速的大脑振荡在本质上不是一致的，而是随着每一个刺激而变化。这些变化也独立于缓慢的大脑信号而发生。尽管所应用的刺激都是相同的，但大脑处理关于触摸的信息的方式却存在巨大的差异。”

单次hfSER的时间幅度分辨检测;受试者S2的示例性数据。带通滤波(450至750 Hz)后的单次试验按时间顺序垂直堆叠，幅度编码为颜色饱和度

研究人员现在能够比较个体对刺激的反应，这一事实为神经学研究人员调查以前悬而未决的问题开辟了道路:

1. 警觉和疲劳等因素在多大程度上影响大脑对信息的处理?

2. 那么同时接受的其他刺激呢?

高度敏感的脑磁图系统还可以帮助科学家对神经系统疾病有更深的了解和更好的治疗方法。癫痫和帕金森氏症是与大脑快速信号中断有关的疾病的例子。Waterstraat博士表示:“多亏了这种优化的脑磁图技术，有了这种关键的新工具，使我们能够以无创的方式解决所有这些问题。”

参考

Noninvasive neuromagnetic single-trial analysis of human neocortical population spikes

sciencedaily

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