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在整个大脑皮层中，神经元分布在六个不同的层中，用显微镜很容易看到。麻省理工学院的一个神经科学家小组现在发现，这些层也显示出独特的电活动模式，这种模式在许多大脑区域和包括人类在内的几种动物物种中是一致的。
研究人员发现，在最顶层，神经元的活动被称为伽马波的快速振荡所主导。在更深的层中，被称为α波和β波的较慢的振荡占主导地位。研究人员说，这些模式的普遍性表明，这些振荡可能在整个大脑中发挥着重要作用。
“当你在大脑皮层中看到一致的、无处不在的东西时，它在大脑皮层的活动中起着非常重要的作用，”皮考尔神经科学教授、麻省理工学院皮考尔学习与记忆研究所的成员、这项新研究的资深作者之一厄尔·米勒说。
研究人员说，这些振荡相互作用的不平衡可能与注意力缺陷多动障碍等脑部疾病有关。
“过度同步的神经活动已知在癫痫中起作用，现在我们怀疑同步的不同病理可能导致许多脑部疾病，包括感知、注意力、记忆和运动控制障碍。在管弦乐队中，一种乐器与其他乐器的演奏不同步会破坏整首音乐的连贯性，”麻省理工学院麦戈文大脑研究所主任、该研究的资深作者之一罗伯特·德西蒙说。
范德比尔特大学(Vanderbilt
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University)心理学助理教授安德烈·巴斯托斯(andr
Bastos)也是这篇开放获取论文的资深作者，该论文今天发表在《自然神经科学》(Nature Neuroscience)上。该论文的主要作者是麻省理工学院的研究科学家迭戈·门多萨-哈利迪和麻省理工学院的博士后亚历克斯·梅杰。
活动的层次
人类大脑包含数十亿个神经元，每个神经元都有自己的放电模式。具有相似模式的神经元组一起产生电活动振荡或脑电波，其频率可能不同。米勒的实验室此前已经证明，高频伽马节律与编码和检索感官信息有关，而低频β节律则是一种控制机制，决定从工作记忆中读出哪些信息。
他的实验室还发现，在前额叶皮层的某些部分，不同的大脑层表现出不同的振荡模式:表层振荡更快，深层振荡更慢。巴斯托斯在米勒实验室做博士后时领导的一项研究表明，当动物执行工作记忆任务时，深层产生的低频节奏会调节表层产生的高频伽马节奏。
除了工作记忆，大脑皮层也是思考、计划和高级情感和感官信息处理的所在地。在涉及这些功能的区域中，神经元被排列成六层，每层都有自己独特的细胞类型组合以及与其他大脑区域的连接。
门多萨-哈利迪说:“无论你观察老鼠、人类还是任何哺乳动物，大脑皮层在解剖学上都被组织成六层，这种模式存在于每个物种的所有皮层区域。”“不幸的是，很多关于大脑活动的研究都忽略了这些层，因为当你记录神经元的活动时，很难理解它们在这些层的背景下处于什
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么位置。”
在这篇新论文中，研究人员想要探索他们在前额叶皮层中看到的分层振荡模式是否更为普遍，是否发生在皮层的不同部分和不同物种之间。
利用从米勒实验室、德西蒙实验室以及范德比尔特大学、荷兰神经科学研究所和西安大略大学的合作者那里获得的数据，研究人员能够分析四种哺乳动物大脑皮层的14个不同区域。这些数据包括三名人类患者的脑电活动记录，这些患者在接受手术过程中被植入了电极。
在过去，从单个皮层层进行记录是很困难的，因为每一层的厚度都不到一毫米，所以很难知道电极是从哪一层进行记录的。在这项研究中，电活动使用特殊电极记录，该电极一次记录所有层的电活动，然后将数据输入作者设计的一种新的计算算法，称为FLIP(基于频率的层识别程序)。该算法可以确定每个信号来自哪一层。
“最近的技术可以同时记录大脑皮层的所有层。这为微电路描绘了一个更广阔的视角，并允许我们观察这种分层模式，”梅杰说。“这项工作令人兴奋，因为它既提供了基本微电路模式的信息，又为研究大脑提供了一种强大的新技术。无论大脑是在执行任务还是在休息，都可以在短短5到10秒内观察到。”
在所有物种中，在研究的每个区域，研究人员发现了相同的分层活动模式。
“我们对所有数据进行了大量分析，看看我们是否能在大脑皮层的所有区域找到相同的模式，结果发现它无处不在。Mendoza-Halliday说:“这确实表明，之前在几个区域看到的东西代表了一种跨越皮层的基本 机制。”
保持平衡
这些发现支持了米勒实验室之前提出的一个模型，该模型提出，大脑的空间组织有助于它将高频振荡携带的新信息整合到现有的记忆和大脑过程中，而这些信息是由低频振荡维持的。当信息从一层传递到另一层时，输入可以根据需要合并，以帮助大脑执行特定任务，例如烘烤新的饼干配方或记住电话号码。
巴斯托斯说:“正如我们所观察到的，这些频率的层流分离的结果可能是允许表层以更快的频率代表外部感觉信息，而深
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层以更慢的频率代表内部认知状态。”“高层次的暗示是，大脑皮层有多种机制，包括解剖学和振荡，以区分‘外部’和‘内部’信息。”
根据这一理论，高频振荡和低频振荡之间的不平衡可能导致注意力缺陷，如多动症，当高频振荡占主导地位，过多的感觉信息进入，或者妄想障碍，如精神分裂症，当低频振荡太强，没有足够的感觉信息进入。
米勒说:“自上而下的控制信号和自下而上的感觉信号之间的适当平衡对大脑皮层所做的一切都很重要。”“当平衡失衡时，你就会患上各种各样的神经精神疾病。”
研究人员现在正在探索测量这些振荡是否有助于诊断这些类型的疾病。研究人员说，他们还在研究重新平衡振荡是否可以改变行为——这种方法有一天可以用来治疗注意力缺陷或其他神经系统疾病。
研究人员还希望与其他实验室合作，更详细地描述大脑不同区域的分层振荡模式。
Mendoza-Halliday说:“我们的希望是，有了足够多的标准化报告，我们将开始看到不同区域或功能之间的共同活动模式，这可能会揭示一种共同的计算机制，这种机制可以用于运动输出、视觉、记忆和注意力等。”
该研究由美国海军研究所、美国国家卫生研究院、美国国家眼科研究所、美国国家精神卫生研究所、Picower研究所、西蒙斯社会脑博士后研究中心和加拿大卫生研究院博士后研究资助。
