章曉輝課題組在NEURON發表論文揭示腦電波生成的神經環路機制

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12月20日， 腦科學研究領域的頂級國際學術期刊《神經元》（Neuron）刊發了北京師範大學認知神經科學與學習國家重點實驗室章曉輝教授研究組關於腦電波生成機制的最新重要發現。 他們的研究發現詳細地闡明了大腦皮層中由不同類型神經元組成的神經環路驅動形成不同頻頻率腦電的機理。 這是他實驗室繼今年4月在另一國際腦科學頂級期刊《自然-神經科學》（Nature Neuroscience）上發表關聯學習的大腦環路基礎的發現後， 又一次在揭示大腦工作機理的研究上做出了具國際重大影響力的發現。

腦電波是一類由大腦中局部群體神經元同步放電所形成的具時空特徵的腦電活動電波。

德國醫生漢斯•伯格（Hans Berger）在1924年首次在人的頭骨上記錄到腦電波圖（electroencephalography, EEG）。 在最早測量的腦電波中， 人們已觀測到存在不同頻率段的振盪腦活動， 並發現這些不同形式的振盪電活動與大腦的不同功能狀態密切相關。 根據生理特徵和頻段範圍， 腦電振盪活動主要可分為delta（< 3Hz）， theta（3-8 Hz）， alpha（8-12 Hz）， beta（β, 12-30 Hz）和gamma（γ, 30-100 Hz）頻段振盪活動。 例如在深度睡眠階段， 主要可觀測到delta和theta振盪腦電波， 在快速眼動睡眠和清醒階段， 則以alpha， beta和gamma腦電波為主；此外當人執行注意或短時記憶等腦認知功能時， 腦電振盪活動也發生不同時空特徵的變化。 因此， 腦科學家們普遍認為， 神經網路生成中不同形式的振盪電活動是大腦資訊處理和傳遞的“程式設計語言”， 可以從中解析出大腦所思的內容和控制指令， 從而實現科幻電影中那些意念控制物體或機器的酷炫技術。 然而在現實生活中， 我們現仍遠未達到能高效地開發和建立這些黑技術的階段；其中一個最為主要的原因是因為我們仍未清楚地瞭解腦電波活動如何生成、又如何編碼和傳遞外界資訊或表徵思想內容等這些基本問題。 至今神經科學研究者們從未停止探索其中的奧秘。

在章曉輝教授實驗室中， 陳廣博士與博士生張媛、李響等採用光遺傳學技術和多通道電極記錄分別操控和記錄小鼠視覺皮層中兩類主要抑制性神經元（PV和SOM細胞）的放電活動， 系統地檢測它們驅使beta和gamma振盪活動中的各自作用機理。

他們首先發現在時相特徵上， 抑制性PV神經元的放電與視皮層網路的自發gamma振盪活動高度相關， 而SOM神經元的放電則與視覺誘發的beta振盪網路活動呈現更高相關性。

進一步通過操控特定神經元的放電活動， 他們發現減弱SOM神經元的放特異地抑制beta （20-30 Hz）頻段的網路振盪活動， 但基本不影響gamma（40-80 Hz）振盪， 並促使局部網路活動處於一種更“去同步（de-synchronization）”狀態。

然而， 當減弱PV神經元放電時， 網路中群體神經元自發活動從低頻至高頻段都明顯增強， 促使網路活動進入一種“過度同步(highly-synchronization)”狀態， 並且進而抑制了視覺輸入相關的beta和gamma振盪活動的生成。

最後， 研究團隊採用光遺傳學方法驅動SOM或PV神經元以1-200 Hz頻率節律放電。

他們發現， SOM神經元的節律放電能有效地驅動局部網路生成5-30 Hz頻段的振盪活動， PV神經元則驅動20-80 Hz網路振盪活動。 這一證據直接揭示了抑制性SOM細胞與興奮性主體神經元形成的局部神經環路負責生成低頻振盪網路活動， 尤其beta振盪；而PV細胞神經環路驅動較寬幅的高頻網路振盪網路活動。 這兩種抑制性神經元之間的功能平衡對於維持大腦皮層的正常網路活動非常關鍵。

章曉輝教授團隊這一項系統的研究工作清晰地闡明了大腦皮層不同頻率局部網路電活動生成的神經機理， 為進一步瞭解神經網路中群體神經元表徵和處理外界資訊的神經活動“計算程式設計”機理提供了非常重要發現， 同時對推進人腦-機器介面技術的發展具有重要參考意義。

此外， 因此， 該研究論文亦被《神經元》期刊推薦為當月的重點論文。

北京師範大學腦與認知科學研究院Malte J. Rasch副教授和研究生趙曉晨、以及美國麻省理工學院（MIT）Yingxi Lin教授和南加州大學Huizhon W. Tao教授參與此項合作研究。 該研究受到科技部重大研究專案和自然科學基金委專案的經費的支持。

圖1. 不同頻率特徵的腦電波。

圖2. 大腦皮層beta 和gamma 振盪神經電活動的神經環路機制的示意圖（左）和Neuron重點推介此論文（右）

論文資訊： 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 BandOscillations. Neuron 96: 1403–1418 (Featured article)。

圖1. 不同頻率特徵的腦電波。圖片源自文獻Lindsley, D.B. Psychological phenomena and the electroencephalo-gram. In Electroencephalography and ClinicalNeurophysiology 4. pp. 443-456, 1952.

圖1. 不同頻率特徵的腦電波。

圖2. 大腦皮層beta 和gamma 振盪神經電活動的神經環路機制的示意圖（左）和Neuron重點推介此論文（右）

論文資訊： 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 BandOscillations. Neuron 96: 1403–1418 (Featured article)。

圖1. 不同頻率特徵的腦電波。圖片源自文獻Lindsley, D.B. Psychological phenomena and the electroencephalo-gram. In Electroencephalography and ClinicalNeurophysiology 4. pp. 443-456, 1952.