MIT：大脑是如何专注思考的？

根据麻省理工学院发表在《Scientific Reports》上的一项新研究，当记忆信息时，当伽马频率节律爆发时，神经活动更集中。

　　

   

   

皮考尔学习与记忆研究所的皮考尔教授Earl K. Miller

工作记忆，即有意识地在头脑中储存和处理新信息的随手可得的能力，需要工作。特别是，前额叶皮层的参与神经元必须同步工作，以集中我们的思想，无论我们是在记住一套方向还是今晚的菜单特色菜。麻省理工学院皮考尔学习与记忆研究所的研究人员进行的一项新研究显示了注意力是如何产生的。

研究中的关键措施是神经元活动的可变性。科学家们普遍认为，更少的可变性活动意味着对任务更集中的协调。这种可变性的测量结果确实表明，当人类和动物在实验室中进行工作记忆游戏时，这种可变性会下降。

在2016年至2018年的几项研究中，第一作者Mikael Lundqvist和合著者Earl K. Miller通过对数百个神经元的直接测量和严格的建模表明，前额叶皮层的伽马频率脉冲协调了记忆信息的神经表征。信息表示可以通过单个神经元群体的同步峰值来衡量。与此同时，β频率节奏的爆发实现了大脑对信息的操纵。Miller将这一理论称为“工作记忆2.0”，它挑战了长期以来的正统观点，即神经元通过稳定、持久的活动来维持工作记忆信息。旧模型的支持者是通过对相对较少的神经元进行平均测量得出的，他们使用基于计算机的大脑活动建模，认为降低变异性不能从间歇性的节律性活动爆发中产生。

但新的研究表明，事实上，可变性的降低确实出现了。

麻省理工学院大脑与认知科学系的皮考尔教授Miller说:“我们使用了从前额叶皮层记录的实际神经活动，以表明当动物专注于一项任务时，节律性爆发降低了它们的变异性。所有我们认为重要的工作记忆现象，伽马射线的脉冲都在做它们应该做的事情。当动物执行工作记忆任务时，它们会变得更专注，这自然会减少可变性。这表明，工作记忆中的这些新的节奏元素与你的大脑专注于手头任务的活动是完全兼容的。”

直接观察  

在这项研究中，Lundqvist和他的团队在六只动物玩三种不同的工作记忆游戏时，测量了数百个神经元中的伽马波爆发和单个神经峰值。他们还使用一种被称为“范诺因子”的计算方法，分析了这种活动在不同试验中的差异。

当动物完成每项任务时，伽马波爆发和峰值率与基线时期有明显差异，这与它们受到任务需求的调节一致。例如，在一项任务中，当需要记忆的物品呈现出来时，它们会短暂地达到峰值，然后在测试动物记忆力时又会达到峰值。

虽然活动明显受到任务的调节，但每次试验的可变性也是如此。在每项任务中，他们发现在任务开始前，变异性最高——这是一种“基准”条件，在这种条件下，动物可以想什么就想什么。但当动物再次专注于任务时，它们的伽马波爆发和神经尖峰变得与上次或下次完成任务时更加相似。此外，变异性的下降也与任务的关键时刻紧密相关(例如，展示需要记忆的东西)。

“我们的研究结果表明，一直以来，各种各样的认知线索决定着群体爆发事件的发生，”Lundqvist说，他是Miller实验室的前博士后，现在是斯德哥尔摩卡罗林斯卡学院的首席研究员。“当我们专注于一项特定的任务时，与其他认知线索相关的人口事件就会安静下来。因此，单个神经元的尖峰信号变得更加受特定任务的支配。”

变异性的减少不仅在时间上是正确的，在空间上也是正确的。在前额叶皮层中伽马波爆发和尖峰代表任务信息的区域比不代表任务信息的区域表现出更大的可变性下降。

仿真表明因果关系  

虽然直接测量显示了与集中思考任务需求相称的变异性的减少，但该团队也调查了峰值变异性的减少是否是伽马风暴变异性减少的结果。

利用他们对伽马风暴及其变化的测量，他们模拟了脉冲的变化(例如脉冲的速率)，看看伽马风暴变化的减少是否一定会导致脉冲变化的减少。

Lundqvist说:“我们使用了一个简单的模型，根据当前是否有一个正在进行的伽马风暴事件，我们给神经元两个不同的放电速率。然后简单地根据记录的伽马波爆发事件的时间，我们制作了数千个峰电位序列。这些人为的峰电位序列在变异性上的变化与最初记录的非常相似。这表明，对人口活动的参与在很大程度上推动了这种减少。”

总之，科学家们说，他们发现，随着工作记忆任务的要求，可变性会下降，这是受伽马节律爆发的时间和位置的指导。

作者写道:“我们发现，在工作记忆任务中，与任务相关的脉冲和伽马节律的调制导致交叉试验降低了神经活动的可变性。我们进一步发现伽马风暴变率的降低和峰值变率的降低之间存在直接关系。它们在时间和空间上同时发生。”

Reduced variability of bursting activity during working memory