Cell发布重要首发性成果：对于大脑来说，时间就是一切

哥伦比亚大学工程与应用科学学院率先证明了相移（phase precession，生物通注）在人脑中起着重要作用。

　　

几十年来，了解大脑的主要方法是测量单个神经元在特定行为期间激活多少次。与这种“rate code”相反，最近的一种假设提出，神经元在激活时会通过更改精确的时间来发信号通知信息。在啮齿动物中，当它们穿越空间时，通常会观察到一种称为相移（phase precession，生物通注）的代码，这被认为是大脑表示序列记忆的基础。令人惊讶的是，相移在人类中从未见过，因此科学家们对其在解释脑功能和创建脑机接口方面的用途了解的非常有限。

最近哥伦比亚生物医学工程副教授Joshua Jacobs与加州大学洛杉矶分校神经外科教授Itzhak Fried博士合作，首次在人体大脑中证明了这种神经密码的存在，并且发现人体相移不仅可以像动物一样确定顺序位置，而且还可以连接特定目标的抽象进程。

这项研究的主要作者Salman E. Qasim说：“我们坚信，相移作为一种可用于学习和认知的广泛的神经代码，具有广阔的前景。人脑没有理由不利用这种机制来编码序列，无论是空间还是其他形式的序列。”

研究人员分析了神经外科患者的直接大脑记录，这些患者执行了虚拟现实空间导航任务，其中他们必须找到并返回六座特定的建筑物。通过识别低频（2-10 Hz）脑震荡形式的内部时钟，该团队能够测量神经元动作电位的相对时序与连续空间位置的关系，就像啮齿动物一样。他们发现特别令人兴奋的是，该时间码不仅限于表示空间位置，还代表受试者朝某些目标位置取得的阶段性进步。

该团队利用了一个难得的机会来测量单个神经元的活动：加州大学洛杉矶分校（UCLA）从13名神经外科患者的大脑中进行有创记录。由于这些卧床不起的患者患有耐药性癫痫病，因此研究人员在他们的大脑中植入了记录电极以进行临床治疗。他们使用笔记本电脑和手持控制器在虚拟环境中移动，完成研究团队设计的空间导航任务。

当研究人员分析患者的神经数据时，他们注意到神经元似乎与缓慢的脑电波共同发射的频率。然后，研究小组确定了受试者在不同位置移动时海马的相移，这与先前在啮齿动物中的观察结果相似。

UCLA癫痫手术计划主任Fried说：“这项研究表明，在癫痫和其他疾病患者的特殊脑外科临床设置中，我们可能会在单脑细胞水平上获得独特的新见解。在这里，患者执行的一项简单任务揭示了基本的大脑密码。”

现在知道该时间码存在于人类的空间位置，研究人员就开始寻找证据证明相移可以追踪更复杂的认知序列，例如人们朝特定目标（即建筑物）取得的抽象进展。为此，团队必须设计一种方法来测量sparse，不一致的脑电波和神经突波之间的时间关系，而无需参考空间位置。之后他们惊讶地发现额叶皮层相移的证据。

“很难在许多动物模型中研究复杂的认知功能（如寻求目标）的神经表征。通过证明人类的相移可能代表特定的目标状态，这项研究支持这一假定，即像相移这样的时间代码对理解人类认知至关重要。”

Qasim和Jacobs希望建立人类相移的先例，将指导对时间编码的研究作为人类认知的一个重要方面。通过展示多个大脑区域相对于任务多个方面的相移的存在，研究团队希望开辟新的途径来解码依赖于时间编码的大脑活动。

此外，科学家还推测相移对记忆可能很重要，因为序列学习对我们记忆中的事件排序很重要。与此相一致，啮齿动物研究也观察到了被阿尔茨海默氏病破坏的大脑回路的相移。这样，相移的发现可能使研究人员能够进一步探查记忆的神经元生物标记。

“我们希望进一步探讨相移是否是整个人类大脑以及针对各种行为的通用代码。然后，我们可以开始更好地了解这种神经元编码机制如何用于脑机接口，以及通过治疗性脑刺激来操纵。”

（生物通：万纹）

原文检索：

http://dx.doi.org/10.1016/j.cell.2021.04.017

Phase precession in the human hippocampus and entorhinal cortex