科研进展
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  • 章晓辉课题组在NEURON发表论文揭示脑电波生成的神经环路机制
     
            脑电波是一类由大脑中局部群体神经元同步放电所形成的具时空特征的脑电活动电波。德国医生汉斯•伯格(Hans Berger)在1924年首次在人的头骨上记录到脑电波图(electroencephalography, EEG)。在最早测量的脑电波中,人们已观测到存在不同频率段的振荡脑活动,并发现这些不同形式的振荡电活动与大脑的不同功能状态密切相关。根据生理特征和频段范围,脑电振荡活动主要可分为delta(< 3Hz),theta(3-8 Hz),alpha(8-12 Hz),beta(β, 12-30 Hz)和gamma(γ, 30-100 Hz)频段振荡活动。例如在深度睡眠阶段,主要可观测到delta和theta振荡脑电波,在快速眼动睡眠和清醒阶段,则以alpha,beta和gamma脑电波为主(图1);此外当人执行注意或短时记忆等脑认知功能时,脑电振荡活动也发生不同时空特征的变化。因此,脑科学家们普遍认为,神经网络生成中不同形式的振荡电活动是大脑信息处理和传递的“编程语言”,可以从中解析出大脑所思的内容和控制指令,从而实现科幻电影中那些意念控制物体或机器的酷炫技术。然而在现实生活中,我们现仍远未达到能高效地开发和建立这些黑技术的阶段;其中一个最为主要的原因是因为我们仍未清楚地了解脑电波活动如何生成、又如何编码和传递外界信息或表征思想内容等这些基本问题。至今神经科学研究者们从未停止探索其中的奥秘。
    图1.  不同频率特征的脑电波。图片源自文献Lindsley, D.B. Psychological phenomena and the electroencephalo-gram. In Electroencephalography and Clinical Neurophysiology 4. pp. 443-456, 1952. 
     
            随着现代神经科学研究的技术发展,例如光遗传操控技术和高密度多道电极记录技术等,使得研究人员可实现对灵活地操控神经网络中不同类型神经元的放电活动,并且发现大脑中一类行使抑制作用的中间神经元对振荡活动的生成和调控发挥着重要作用。但抑制性中间神经元在功能基因分子表达、放电和形态特征和连接图谱上存在多达近十几种差异类型,它们如何与兴奋性主体神经元相互协同工作来生成不同频段振荡网络活动这一机制问题仍缺少系统和完整的了解,回答这一问题可揭示神经网络信息编码处理的群体计算机制。

            12月20日,脑科学研究领域的顶级国际学术期刊《神经元》(Neuron)刊发了北京师范大学认知神经科学与学习国家重点实验室章晓辉教授研究组关于脑电波生成机制的最新重要发现。他们的研究发现详细地阐明了大脑皮层中由不同类型神经元组成的神经环路驱动形成不同频频率脑电的机理。这是他实验室继今年4月在另一国际脑科学顶级期刊《自然-神经科学》(Nature Neuroscience)上发表关联学习的大脑环路基础的发现后,又一次在揭示大脑工作机理的研究上做出了具国际重大影响力的发现。

            在章晓辉教授实验室中,陈广博士与博士生张媛、李响等采用光遗传学技术和多通道电极记录分别操控和记录小鼠视觉皮层中两类主要抑制性神经元(PV和SOM细胞)的放电活动,系统地检测它们驱使beta和gamma振荡活动中的各自作用机理。

            他们首先发现在时相特征上,抑制性PV神经元的放电与视皮层网络的自发gamma振荡活动高度相关,而SOM神经元的放电则与视觉诱发的beta振荡网络活动呈现更高相关性。

            进一步通过操控特定神经元的放电活动,他们发现减弱SOM神经元的放特异地抑制beta (20-30 Hz)频段的网络振荡活动,但基本不影响gamma(40-80 Hz)振荡,并 促使局部网络活动处于一种更“去同步(de-synchronization)”状态。

            然而,当减弱PV神经元放电时,网络中群体神经元自发活动从低频至高频段都明显增强,促使网络活动进入一种“过度同步(highly-synchronization)”状态,并且进而抑制了视觉输入相关的beta和gamma振荡活动的生成。

            最后,研究团队采用光遗传学方法驱动SOM或PV神经元以1-200 Hz频率节律放电。他们发现,SOM神经元的节律放电能有效地驱动局部网络生成5-30 Hz频段的振荡活动,PV神经元则驱动20-80 Hz网路振荡活动。这一证据直接揭示了抑制性SOM细胞与兴奋性主体神经元形成的局部神经环路负责生成低频振荡网络活动,尤其beta振荡;而PV细胞神经环路驱动较宽幅的高频网络振荡网络活动(图2, 左)。这两种抑制性神经元之间的功能平衡对于维持大脑皮层的正常网络活动非常关键。
    图2.  大脑皮层beta 和gamma 振荡神经电活动的神经环路机制的示意图(左)与Neuron重点推介该论文(右)。
     
            章晓辉教授团队这一项系统的研究工作清晰地阐明了大脑皮层不同频率局部网络电活动生成的神经机理,为进一步了解神经网路中群体神经元表征和处理外界信息的神经活动“计算编程”机理提供了非常重要发现,同时对推进人脑-机器接口技术的发展具有重要参考意义。此外,因此,该研究论文亦被《神经元》期刊推荐为当月的重点论文。

            北京师范大学脑与认知科学研究院Malte J. Rasch副教授和研究生赵晓晨、以及美国麻省理工学院(MIT)Yingxi Lin教授和南加州大学Huizhon W. Tao教授参与此项合作研究。该研究受到科技部重大研究项目和自然科学基金委项目的经费的支持。
     
    论文链接: Guang Chen, Yuan Zhang, Xiang Li, Xiaochen Zhao, Qian Ye, Yingxi Lin, Huizhong W. Tao, Malte J. Rasch*, and Xiaohui Zhang* (2017) Distinct Inhibitory Circuits Orchestrate Cortical beta and gamma Band Oscillations. Neuron 96: 1403–1418 (Featured article)
    http://www.cell.com/neuron/fulltext/S0896-6273(17)31086-3