大脑中的海洋：相互作用的脑电波是我们处理信息的关键

脑机接口社区 2023-02-08

一项新研究表明，大脑除了通过传统的神经环路处理信息外，还有第二种非常不同的方式来解析信息——通过神经活动波的相互作用。

多年来，大脑一直被认为是一台生物计算机，通过传统的神经环路处理信息，数据直接从一个细胞传输到另一个细胞。虽然这个模型仍然是准确的，但由Salk生物研究所教授Thomas Albright和科学家Sergei Gepshtein领导的一项新研究表明，大脑还有第二种非常不同的方式来解析信息：通过神经活动波的相互作用。这一发现发表在2022年4月22日的Science Advances上，有助于研究人员更好地了解大脑如何处理信息。

1 大脑中的“波粒二象性”？

研究人员普遍认为，在睡眠和清醒期间，大脑中都存在电波活动。但是，关于大脑如何处理信息——尤其是感觉信息，比如看到光线或听到铃声——的基本理论，一直围绕着信息被专门的脑细胞探测到，然后像接力器一样从一个神经元传递到下一个神经元。

然而，这种传统的大脑模型无法解释单个感觉细胞如何在不同的条件下对同一事物做出不同的反应。例如，当动物特别警觉时，细胞可能会对快速闪光做出反应而激活，但如果动物的注意力集中在其它事情上，细胞就会保持不活跃。

Gepshtein将这种新的理解比作物理学中的波粒二象性——即光和物质都具有粒子和波的属性。在某些情况下，光的行为就像是粒子(也称为光子)。在其它情况下，光的行为就像波一样。粒子被限制在特定的位置，而波分布在许多位置。这两种光的观点都需要用来解释它的复杂行为。

Salk自适应感觉技术合作实验室主任Gepshtein说：“传统的脑功能观点将大脑活动描述为神经元的相互作用。由于每个神经元都被限制在特定的位置，这种观点类似于将光描述为一个粒子。”我们发现，在某些情况下，大脑活动更好地被描述为波的相互作用，这类似于将光描述为波。这两种观点都是理解大脑所必需的。

2 脑波干涉形成的世界

过去观察到的一些感觉细胞属性不容易被解释，因为用来解释大脑的方法是“粒子”方法。在这项新的研究中，研究小组在动物模型中观察了139个神经元的活动，以更好地了解细胞如何协调它们对视觉信息的反应。他们与Loughborough大学的物理学家Sergey Savel'ev合作，创建了一个数学框架来解释神经元的活动并预测新的现象。

他们发现，解释神经元行为的最好方法是通过活动的微观波的相互作用，而不是单个神经元的相互作用。研究人员展示的不是一道激活专门感觉细胞的闪光，而是它是如何通过分布式模式工作的：许多邻近细胞的活动波，以及激活的波峰波谷交替出现，就像海浪一样。

当这些波同时在大脑的不同位置产生时，它们不可避免地会相互碰撞。如果活动的两个峰值相遇，它们会产生更高的活动，而如果低活动的低谷遇到峰值，可能会抵消它。这一过程称为波的干涉。

Albright说：“当你暴露在这个世界上时，会接受很多很多的输入，所有这些感觉信息都会产生不同的波。”“大脑对你周围世界的净反应与所有这些电波如何相互作用有关。”

为了测试他们关于神经波如何在大脑中发生的数学模型，研究小组设计了一个附带的视觉实验。两个人被要求探测位于屏幕上的一条细微的线(“探测目标”)，它的两侧是其他光学图案。研究人员发现，人们完成这项任务的程度取决于探测器的位置。发现探测目标的能力在一些位置提高，在其他位置降低，形成了模型预测的空间波。

3 大脑解析信息的新模型

“我们现在对大脑的计算机制是如何工作的有了新的理解，”Albright说，他是Conrad T. Prebys视觉研究的主席，也是Salk视觉中心实验室的主任。该模型有助于解释大脑的基本状态如何改变，从而影响人们的注意力、集中能力或处理信息的能力。

同时也是Salk视觉神经生物学中心成员的Gepshtein说：“你在特定位置能看到这个探测对象的能力将取决于神经波在那个位置的叠加方式。”“我们现在已经提出了大脑如何调节这一点。”

神经波如何相互作用的发现比解释这种视觉错觉的意义要深远得多。研究人员假设，大脑皮层的每一部分都在产生相同类型的波，并相互作用，而不仅仅是负责分析视觉信息的部分。这意味着大脑本身产生的电波，由环境中的微妙暗示或内源性情绪产生，可以改变由感觉输入产生的电波。这项发现可能解释了大脑对某件事物的反应是如何每天发生变化的。
内容来源：https://medicalxpress.com/news/2022-04-ocean-brain-interacting-key.html

来源：BME康复工程分会。文仅用于学术分享，不用于商业行为，若有侵权及疑问，请后台留言，管理员即时删侵！

更多阅读

具有穿透性微针的新型脑机接口

类脑计算将何去何从？

遗忘是大脑在删除记忆吗？

Meta AI 宣布对人脑和语言处理进行长期研究

运动是如何改造我们的大脑？

Brain.space 为我们的现代世界重塑脑电图

Transformer 会接管人工智能？

加入社群

欢迎加入脑机接口社区交流群，

探讨脑机接口领域话题，实时跟踪脑机接口前沿。