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为探究 θ 振荡对人类海马网络通信的影响，研究人员对神经外科患者进行闭环锁相算法的直接电刺激研究。结果发现，θ 同步刺激增强了海马 θ 振荡及网络连接性。这为调节与 θ 和海马相关行为提供了新方法，对理解记忆机制意义重大。
在大脑的神秘世界里，记忆的形成与存储一直是科学家们努力探索的谜题。θ 振荡（Theta oscillations）作为大脑电活动的一种节律，在啮齿动物的海马体中极为突出，并且与人类依赖海马的记忆密切相关。有一种被广泛接受的记忆功能假说认为，海马体就像一个 “指挥家”，协调着大规模分布式网络的活动，而区域间的网络通信则可能由 θ 振荡的动态变化来协调。在啮齿动物实验中，一旦 θ 振荡被破坏，就会出现记忆缺陷；在转基因阿尔茨海默病模型动物中，随着神经退行性疾病的发展和年龄的增长，海马 θ 振荡也会受到干扰。
然而，在人类身上，虽然有种种关联暗示，但一直缺乏直接证据表明海马 θ 振荡与支持记忆的网络通信之间存在因果关系。此前，为了调节大脑振荡动态并改善记忆，研究人员尝试过 θ 节律性直接电刺激（DES），但由于刺激效果受大脑当前状态的影响，很难可靠地实现预期目标。而且，θ 振荡的相位在刺激效果中起着关键作用，它既能调节网络通信，又能影响突触可塑性，这使得按照 θ 振荡相位来定时刺激，有望更有效地调节海马网络，但具体效果仍不明确。
在这样的背景下，来自美国芝加哥大学（University of Chicago）和西北大学（Northwestern University）等机构的研究人员决心深入探索。他们开展了一项针对人类神经外科患者的研究，试图揭示 θ 振荡与海马网络通信之间的因果联系。研究成果发表在《Nature Communications》上，为我们理解大脑记忆机制打开了新的窗口。
研究人员主要运用了以下几种关键技术方法：首先，通过颅内脑电图（iEEG）记录患者大脑的电活动，获取海马体和外侧颞叶皮层（LTC）的神经信号。其次，采用闭环控制技术，精确地将 LTC 的刺激定时与实时记录的海马 θ 振荡同步，确保刺激在海马 θ 振荡的波谷时进行，同时设置了相位盲（PB）刺激作为对照。此外，利用刺激诱发电位（SEPs）和相位滞后指数（PLI）等指标来评估网络连接性的变化。
下面让我们详细看看研究的具体结果：
- θ 同步 DES 对海马网络的影响：研究人员开发了一种闭环刺激范式，在患者休息时，对 LTC 进行刺激，并评估网络生理学的变化。他们发现，在刺激前，海马区域普遍存在 θ 波爆发，这为相位同步刺激提供了实时信号。在 θ 同步（TS）刺激时，刺激脉冲能准确地在海马 θ 振荡的波谷发放，而 PB 刺激则没有这种相位锁定效果。这一范式为研究重复 θ 同步刺激对皮质 - 海马网络活动的调节作用提供了良好的机会。
- θ 同步刺激期间 θ 振荡和连接性的增强：在 30 分钟的 TS 刺激期间，研究人员发现海马 θ 振荡的幅度显著增加，而 PB 刺激则导致 θ 振荡幅度下降。同时，TS 刺激还使海马与 LTC 之间在 6Hz 时的 θ 同步性增强，而 PB 刺激没有这种效果。在网络可塑性方面，虽然早期 SEP 幅度在 TS 和 PB 刺激期间均无明显变化，但晚期 SEP 幅度在 TS 刺激时相对于 PB 刺激显著增加。这表明 TS 刺激能使海马网络中的 θ 振荡和有效连接性立即增强，支持了重复 TS 刺激可增加网络可塑性的假设。
- θ 同步刺激后皮质 - 海马网络连接性的持续增加：研究人员进一步测试了 TS 刺激对皮质 - 海马网络连接性的持久影响。结果显示，在刺激后，TS 刺激组海马对 LTC 刺激的晚期 SEP 幅度相对于 PB 刺激组增加，这意味着间接连接在驱动海马对刺激的反应中起到了重要作用。此外，通过测量 LTC 和海马之间的 θ 同步性，发现 TS 刺激后网络连接性的增加幅度大于 PB 刺激。即使使用不同的同步性测量方法（如经典的幅度平方相干性和相干性的虚部）进行分析，TS 刺激增强连接性的结果依然稳健。而且，研究还发现 TS 刺激并没有影响海马和 LTC 中的 θ 振荡幅度以及兴奋 - 抑制（E - I）平衡，说明 TS 刺激主要引起了网络连接性的持久变化，而非局部活动状态的改变。
综合以上研究结果，研究人员得出结论：θ 同步刺激能够使人类皮质 - 海马网络产生同步，导致网络连接性持续增加。这种增强的网络耦合在没有增加海马来自 LTC 的输入、θ 功率持久变化或网络中兴奋抑制平衡改变的情况下依然存在。这表明 θ 相位在调节海马网络连接性方面起着关键作用，有力地支持了振荡在区域间通信中起因果作用的理论。
该研究具有重要的意义。它不仅为 θ 振荡影响大脑区域间通信提供了因果证据，还展示了一种比传统方法更有效的网络靶向刺激方式 —— 闭环相位同步。这种方法能够增强内源性节律性，为理解大脑刺激机制和潜在的治疗应用提供了新的思路。不过，研究也存在一些局限性，比如 TS 刺激仅在 θ 波谷进行，样本量较小且均为癫痫患者，这些因素可能限制了研究结果的普遍性。未来的研究需要进一步探索影响海马网络连接性的最佳相位，扩大样本量并在健康人群中进行验证，以更深入地了解 θ 同步刺激对记忆功能的影响。
