研究人員首次證實，通過非入侵測量手段測量大腦快速電磁震蕩，能夠展示大腦對相繼刺激的顯著反應變異（不同的行），相繼動作電位持續時間（縱向條紋的藍色或紅色改變）和電位強度（顏色深度）均存在變異。 （圖片來源：Charité, Gunnar Waterstraat）

大腦處理信息時既用到慢速電流也用到快速電流。直到現在，研究人員仍然需使用植入大腦的電極才能測量快速電流。柏林Charité醫科大學（Charité - Universit?tsmedizin Berlin）和德國聯邦物理研究院（Physikalisch-Technische Bundesanstalt，PTB）的研究人員首次成功地在腦外獲得大腦快速電流信號，並實現電流信號可視化，並且他們(men) 發現大腦快速電流具有令人驚訝的變異程度。發表在《美國國家科學院院刊》（PNAS）的論文提及他們(men) 使用了一種非常靈敏的腦磁圖（magnetoencephalography）裝置來實現這一壯舉(ju) 。

圖片來源：Pixabay

大腦中信息處理是身體(ti) 最為(wei) 複雜的處理過程之一。大腦信息處理障礙經常會(hui) 導致嚴(yan) 重的神經功能紊亂(luan) 。因此，研究大腦內(nei) 信號傳(chuan) 遞過程是理解無數神經疾病的關(guan) 鍵。然而，從(cong) 方法論的角度來看，這為(wei) 許多研究人員創造了巨大挑戰。人們(men) 希望能夠無需向大腦內(nei) 部植入電極來觀察大腦神經細胞“靈光乍現”的活動，由此催生出兩(liang) 種高時間分辨率的技術：腦電圖和腦磁圖。腦電圖和腦磁圖都能在顱外實現大腦活動可視化。但事實是，隻有測試慢速電流時才能得到可靠的結果而快速電流的結果不盡人意。

神經細胞接受其他神經細胞的信號後產(chan) 生慢速電流（又名為(wei) 突觸後電位）。隨後神經脈衝(chong) 爆發，產(chan) 生僅(jin) 僅(jin) 持續一毫秒快速電流，將信息傳(chuan) 遞到下遊的神經元或肌肉。這種電流也名為(wei) 動作電位。Benjamin Franklin 校區實驗神經學Charité神經學係的博士Gunnar Waterstraat解釋說：“直到目前，我們(men) 隻能夠觀察神經元接受信息的時刻，卻不能看到神經元對單個(ge) 感覺刺激產(chan) 生反應後傳(chuan) 送信號的過程。甚至可以說，我們(men) 事實上瞎了一隻眼。”在PTB的Waterstraat博士和Rainer K?rber博士帶領下，研究團隊如今奠定了基礎，有助改善研究局麵。該跨學科的研究團隊成功提高了腦磁圖的敏感度，甚至使其能夠檢測單個(ge) 感覺刺激產(chan) 生的快速大腦電磁震蕩。

他們(men) 顯著地減少了腦磁圖裝置本身的係統噪聲，成功提高了靈敏度。K?rber博士解釋說：“腦磁圖裝置內(nei) 部的磁場傳(chuan) 感器浸沒在液氦中，並冷卻到-269℃（4.2K）。為(wei) 了實現這一點，冷卻係統需要複雜的隔熱裝置。原有的超級隔熱裝置包含了會(hui) 產(chan) 生磁場噪聲的鋁包裹薄片，因此會(hui) 屏蔽微小的磁場，比如與(yu) 神經細胞相關(guan) 的。我們(men) 現在改變了超級隔熱裝置的設計，這樣就能保證不再采集到磁場噪聲。通過這樣做，我們(men) 努力地將腦磁圖技術的靈敏性提高了十倍。”

研究人員使用了一個(ge) 手臂神經刺激的例子，表明新設備的確能檢測大腦的快速電磁波。在四個(ge) 健康研究對象的研究部分中，研究人員用電刺激手腕一條特殊的神經，同時立即將腦磁圖傳(chuan) 感器放置於(yu) 大腦負責處理手部感覺刺激的區域之上。為(wei) 了減少外界的幹擾源，例如電網和電子組件，測量均在PTB的一間電磁屏蔽記錄室完成。研究人員發現，通過這些方式，他們(men) 能夠檢測大腦皮層中對單個(ge) 刺激產(chan) 生反應的一小群被同時激活的神經元。

圖片來源：Pixabay

Waterstraat博士說：“這是第一次，我們(men) 能夠使用一種非入侵的方法，觀察大腦神經細胞對單個(ge) 感覺刺激作出反應後發送信息的過程。有一個(ge) 有趣的發現，事實上這些快速的大腦電磁震蕩性質並不相同，而是會(hui) 隨著每個(ge) 刺激發生改變。這些改變的發生獨立於(yu) 大腦慢速信號。盡管每次使用的刺激是相同的，但是大腦處理手部觸覺信息的方式存在巨大的變異度。”

事實上，研究人員如今能比較刺激產(chan) 生的每個(ge) 反應，這開啟了全新的道路，有望幫助神經學研究人員探究一直懸而未決(jue) 的問題：一些因素例如警覺和疲憊對大腦信息處理的影響程度有多大？同時接受的額外刺激對大腦的影響程度又有多大？高靈敏度的腦磁圖係統可能幫助科學家加深對神經功能紊亂(luan) 的理解並開發出更好的療法。癲癇和帕金森病是大腦快速信號紊亂(luan) 相關(guan) 的病例。Waterstraat博士說：“多虧(kui) 了調校後的腦磁圖技術，神經科學工具箱又增添了一個(ge) 關(guan) 鍵的新工具，使得我們(men) 能夠以非入侵的方法應付所有的這些問題。”

翻譯：陳振翀

審校：張哲

引進來源：德國聯邦物理研究院


關(guan) 注【深圳科普】微信公眾(zhong) 號，在對話框：
回複【最新活動】，了解近期科普活動
回複【科普行】，了解最新深圳科普行活動
回複【研學營】，了解最新科普研學營
回複【科普課堂】，了解最新科普課堂
回複【科普書(shu) 籍】，了解最新科普書(shu) 籍
回複【團體(ti) 定製】，了解最新團體(ti) 定製活動
回複【科普基地】，了解深圳科普基地詳情
回複【觀鳥星空体育官网入口网站】，學習(xi) 觀鳥相關(guan) 科普星空体育官网入口网站
回複【博物學院】，了解更多博物學院活動詳情