生物医学工程师发现，休息时的神经活动是高度有序的

　　

   

   

图片:生物医学工程研究人员发现，在休息期间，单个神经元以有组织的级联方式放电，触发整个大脑的活动。这里，老鼠大脑的一个部分显示了五个单个神经元的尖峰活动。

资料来源:宾夕法尼亚州立大学

根据宾夕法尼亚州立大学(Penn State)和美国国立卫生研究院(National Institutes of Health)的研究，当老鼠休息时，单个神经元会在几秒钟内发出协调的级联反应，触发整个大脑的活动。以前，这被认为是一个相对随机的过程——单个神经元在没有外部刺激的情况下，在随机的时间自发地放电。

这一发现发表在11月18日的《美国国家科学院院刊》(Proceedings of The National Academy of Sciences)上，是在啮齿动物身上发现的，但可能会对更好地理解人类的神经活动产生影响该研究的第一作者、计算机与数据科学研究所(Institute of Computational and Data Sciences)生物医学工程助理教授 Xiao Liu表示，尤其是在解释认知能力下降方面。

在休息期间，大脑似乎可以自我恢复:海马体巩固记忆，而脑脊液通过神经组织，使大脑焕然一新的。然而，表面上的整齐和清洁的机制还不太清楚。

“在静息状态下，单个神经元以一种高度有组织的方式放电，就像数秒钟长的级联事件，” Xiao Liu说。“这不是随机的噪音。我们期望发现神经元在静息状态下有组织地放电，但我们没有预期到有这么多神经元参与的如此有组织的活动模式。”

研究人员分析了艾伦研究所收集的公共数据集。艾伦研究所的科学家们记录了休息和活动的啮齿动物的数百个神经元的神经元“尖峰”——在大脑中传递信息的电脉冲。他们还测量了瞳孔的变化和身体的运动。总的来说，宾夕法尼亚州立大学的研究人员集中分析了14只啮齿动物大脑44个不同区域的约10000个神经元的个体动态。

这些啮齿类动物在休息期间进行分析，此时它们的身体是静止的;然而，据研究人员称，目前还不清楚这些动物是在睡觉还是只是在休息，因为它们睡觉时眼睛是睁着的。

 Xiao Liu和他的团队分析了在固定时间间隔内低频的自发尖峰活动的频率。他们观察到，70%被记录的神经元，无论大脑区域或起源，都参与了持续5到10秒的全球大脑活动的循环、有序级联。这种级联反应的典型特征是，从一组在休息时更活跃的神经元到另一组在活动时表现出更强烈的尖峰反应的神经元依次被激活。

虽然级联事件的意义尚不清楚，但研究人员提出，它们可能与大脑的唤醒状态和记忆有关，根据他们对瞳孔大小、δ波和海马体涟漪活动的分析，这些都是各种神经活动的指标。

“大脑中的δ波和瞳孔大小是大脑觉醒状态的指示器，” Liu说。“例如，啮齿类动物在睡眠时的δ波要比醒着时强得多。另一方面，海马体涟漪是对记忆巩固很重要的高频振荡事件。”

Liu和他的团队发现，两种唤醒指标——瞳孔大小和δ波——以及海马波纹在每个全球峰值级联的周期中系统地发生变化，这意味着它们在每个周期的不同阶段或高或低。这种唤醒指标和涟漪的协调变化表明，静息状态下大脑活动中的级联事件可能将大脑的唤醒和记忆系统联系起来。

据 Xiao Liu教授说，这种脉冲级联与唤醒和记忆系统的连接也表明了在阿尔茨海默病和其他认知功能障碍中可能扮演的角色，这些认知功能障碍的特征通常是两个系统同时出现功能障碍。

研究人员从功能性磁共振成像中了解到，在休息期间，大脑表现出整体活动的激增，这与脑脊液流过脑组织相结合，今年早些时候，Liu和他的团队发现，由于阿尔茨海默病或帕金森氏病而导致认知能力下降的人，这种耦合显著减少。

“用功能磁共振成像测量的静息状态的整体大脑信号是相同的低频，并显示出与单个神经元的尖峰级联相似的其他特征，因此，这可能是我们发现的尖峰级联的宏观观察。”

 Xiao Liu解释说，如果通过功能磁共振成像测量的全球大脑信号是由级联反应引起的，它可能会触发脑脊液流动，清除大脑废物。如果不清理，错误折叠的淀粉样斑块等分子的积聚会阻碍细胞通信，导致神经元死亡和认知能力下降。

“如果我们更好地理解休息时神经级联的功能，我们就有可能更接近阿尔茨海默病如何发展的谜团”。

文章标题

单神经元级联反应是全球自发脑事件的基础

Single-neuron firing cascades underlie global spontaneous brain events