关于我们大脑功能的突破性假设“细胞电耦合”

一项新的研究提出了一个名为“细胞电耦合”的假设，认为由神经网络活动产生的大脑电场可以影响神经元亚细胞成分的物理结构，以优化网络的稳定性和效率。这项研究是由麻省理工学院、伦敦城市大学和约翰霍普金斯大学的科学家们进行的，他们在早期研究的基础上，展示了神经网络中有节奏的电活动或“脑电波”，以及电场在分子水平上的影响，如何协调和调整大脑的功能，促进灵活的认知。

　　

脑电波是信息的载体。最近提出的“细胞电耦合”假说表明，这些摇摆不定的电场有助于优化大脑网络的效率和稳健性。他们通过影响大脑分子框架的物理结构来做到这一点。

为了实现包括思维在内的多方面功能，大脑在不同的层面上运作。像目标或视觉这样的信息是通过神经元网络之间的同步电活动来描述的。同时，每个神经元内部和周围的蛋白质和其他生物化学物质的组合，在物理上执行参与这些网络所需的机制。

麻省理工学院(MIT)、伦敦城市大学(City University of London)和约翰霍普金斯大学(Johns Hopkins University)的研究人员在一篇新论文中假设，神经网络的电场会影响神经元亚细胞成分的物理结构，从而优化神经网络的稳定性和效率，这一假设被作者称为“细胞电耦合”。

麻省理工学院皮考尔学习与记忆研究所的皮考尔教授Earl K. Miller说:“大脑正在处理的信息在微调网络到分子水平方面发挥着作用。”他与麻省理工学院和伦敦城市大学的副教授Dimitris Pinotsis和约翰霍普金斯大学的Gene Fridman教授共同撰写了《神经生物学进展》上的论文。

“大脑会适应不断变化的世界，”Pinotsis说。“它的蛋白质和分子也会发生变化。它们可以携带电荷，并且需要与使用电信号处理、存储和传输信息的神经元保持同步。与神经元的电场相互作用似乎是必要的。”

领域思维

Miller实验室的一个主要重点是研究诸如工作记忆之类的高级认知功能是如何从数百万单个神经元的活动中快速、灵活、可靠地产生出来的。神经元能够通过创建和移除被称为突触的连接，以及加强或削弱这些连接来动态地形成回路。但是，这只是形成了一个信息流动的“路线图”，Miller说。

Miller发现，共同代表一种或另一种思想的特定神经回路是由有节奏的活动协调的，这种活动更通俗地称为不同频率的“脑电波”。

快速的“伽玛”节奏有助于从我们的视觉传递图像(例如松饼)，而较慢的“贝塔”波可能会携带我们对该图像的更深层次的想法(例如“太多的卡路里”)。Miller的实验室已经证明，在适当的时间，这些脑电波的爆发可以携带预测，使工作记忆中的信息能够写入、保留和读出。

当工作记忆崩溃时，它们也会崩溃。该实验室报告的证据表明，大脑可能会明显地操纵特定物理位置的节奏，以进一步组织神经元以实现灵活的认知，这一概念被称为“空间计算”。

该实验室最近的其他工作表明，虽然网络中单个神经元的参与可能是不稳定和不可靠的，但它们所属的网络所携带的信息是由它们的集体活动产生的整体电场稳定地表示的。

Cytoelectric耦合

在这项新研究中，作者将这种协调神经网络的节律性电活动模型与电场可以在分子水平上影响神经元的其他证据结合起来。

例如，研究人员已经研究了触电耦合，在这种情况下，神经元通过靠近它们的膜来影响彼此的电特性，而不是仅仅依靠突触之间的电化学交换。这种电串扰会影响神经功能，包括它们何时以及是否将电信号传递给回路中的其他神经元。

Miller、Pinotsis和Fridman还引用了一些研究，这些研究显示了其他电对细胞及其组成部分的影响，包括神经发育是如何被电场引导的，以及微管是如何被电场对齐的。

如果大脑在电场中携带信息，并且这些电场能够配置神经元和大脑中形成网络的其他元素，那么大脑可能会使用这种能力。作者认为，大脑可以利用磁场来确保神经网络做它应该做的事情。

用“电视迷”的术语来说，电视网络的成功不仅仅是它能够向数百万家庭传输清晰的信号。同样重要的是细节，比如每个观众家庭如何安排电视、音响系统和客厅家具，以最大限度地提高体验。Miller说，无论是在这个比喻中，还是在大脑中，网络的存在都激励个体参与者配置自己的基础设施，以最佳方式参与。

作者在论文中写道:“细胞电偶联将中观和宏观水平的信息连接到微观水平的蛋白质，这是记忆的分子基础。”本文阐述了激发细胞电耦合的逻辑。Miller说:“我们提供了一个任何人都可以验证的假设。”

参考文献:“Cytoelectric coupling: Electric fields sculpt neural activity and “tune” the brain’s infrastructure” by Dimitris A. Pinotsis, Gene Fridman and Earl K. Miller, 18 May 2023, Progress in Neurobiology.