17 世紀，荷蘭科學(xué)家克里斯蒂安·惠更斯 (Christiaan Huygens) 將他最近發(fā)明的兩個擺鐘掛在一根木梁上，并觀察到隨著時間的流逝，時鐘會調(diào)整它們的節(jié)拍。他在 1665 年報告了這一發(fā)現(xiàn)，他稱之為“奇怪的同情”。三個半世紀后，人們發(fā)現(xiàn)大腦中的神經(jīng)元以類似的方式同步它們的活動。
大腦中的神經(jīng)元經(jīng)常在準節(jié)奏活動中同步，共同產(chǎn)生“腦電波”，有時甚至可以使用腦電圖從顱骨外部檢測到。以這種節(jié)奏同步有助于神經(jīng)元有效地交換信息，這對于執(zhí)行學(xué)習(xí)、記憶、注意力、感知和運動等重要功能至關(guān)重要。如何產(chǎn)生、維持和消除這些節(jié)律以適應(yīng)不斷變化的大腦無縫操作需求是一個積極研究的領(lǐng)域。
在今天發(fā)表在Cell Reports上的一項新研究中，由首席研究員 Balázs Hangya MD Ph.D. 領(lǐng)導(dǎo)的神經(jīng)科學(xué)家團隊。匈牙利布達佩斯實驗醫(yī)學(xué)研究所的研究人員發(fā)現(xiàn)，大腦中的一組神經(jīng)元在去同步狀態(tài)下表現(xiàn)出不同頻率的節(jié)律活動，就像單個時鐘一樣，但它們可以對齊它們的節(jié)律頻率，從而在激活時產(chǎn)生同步的大腦節(jié)律，類似于惠更斯實驗中的擺鐘。
為了探索大腦的同步機制，研究小組記錄了稱為內(nèi)側(cè)隔膜的深層大腦結(jié)構(gòu)的特殊神經(jīng)元。這些神經(jīng)元形成一個“起搏器網(wǎng)絡(luò)”，它在稱為海馬體的結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生 4-12 赫茲的“θ”節(jié)律，負責(zé)編碼我們所經(jīng)歷事件的情景記憶痕跡。眾所周知，海馬θ振蕩對記憶很重要，但其產(chǎn)生的確切機制尚不清楚。
“要了解內(nèi)側(cè)隔膜中的細胞如何同步，應(yīng)該同時記錄多個細胞的活動。除了這種多通道深部腦記錄之外，還需要并行記錄海馬活動以了解內(nèi)側(cè)隔膜的輸出信號。這在技術(shù)上仍然具有挑戰(zhàn)性，因此這些錄音只能由熟練的實驗者進行，”Hangya 說。
為了應(yīng)對這一挑戰(zhàn)，Hangya 的實驗室與 István Ulbert、Viktor Varga 和 Szabolcs Káli 教授領(lǐng)導(dǎo)的其他小組合作，探索清醒或麻醉狀態(tài)下大鼠和小鼠的內(nèi)側(cè)隔膜“起搏器網(wǎng)絡(luò)”。惠更斯同步機制在所有測試條件下都存在，也可以通過內(nèi)側(cè)間隔“起搏器網(wǎng)絡(luò)”的詳細計算模型來重現(xiàn)。作者推測，惠更斯同步可能是跨不同物種(包括人類)大腦回路的通用同步機制。
“我認為我們對網(wǎng)絡(luò)同步的起源提出了一個新的想法。內(nèi)側(cè)間隔抑制細胞在局部興奮性輸入激活時同步它們的頻率這一事實以前是未知的，”該文章的第一作者 Barnabás Kocsis 說。
大腦的同步機制在疾病中可能出錯，導(dǎo)致記憶力和注意力問題，甚至導(dǎo)致精神分裂癥、癲癇和阿爾茨海默病等嚴重疾病。研究人員希望更好地了解大腦網(wǎng)絡(luò)如何同步可能最終導(dǎo)致我們改進這些疾病的治療方法。
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