脑电波精细解码有望实现 全新角度理解大脑机制

2011-3-03 08:53 来源: 科技日报
收藏到BLOG
  大脑接受外界信息的刺激,如视听信号以物理、化学形式存在,而神经系统只能以神经脉冲的形式传递信息,因此必须把各种物理、化学信号转变为频率、节奏、波长等神经脉冲来表示不同的信息,这一过程称为编码。就像人们调节收音机的频率,科学家目前已在利用一种脑皮层电流描记的方法,精确描记大脑活动时的频率、波长等神经脉冲并对其进行分析,以获得有关大脑意识的更多详情,帮助人们从一个全新角度理解大脑的工作机制。

  脑生理学的三种工具

  多年来,神经科学家一直在分析大脑在何时何地会活跃。最近,华盛顿大学医学院研究人员使用了脑皮层电流描记法,这是一种用临时放置于大脑皮层表面的电极阵列来监测大脑的技术。“分析大脑功能,通常集中于大脑的哪个部位、什么时候产生活跃。”医学院的埃里克・里奥萨德说,而分析大脑活动的频率、波长为研究脑生理学提供了除脑电图(EEG)、功能性核磁共振成像(fMRI)以外的第三种主要手段。

  功能性核磁共振成像技术主要是利用磁振造影来测量神经元活动所引发的血液动力的改变,在大脑中定位某个功能区。脑电图则是将电极放在头皮上,许多神经元同时放电就产生了脑电波,经脑电图机放大后记录在专门的纸上,得出一定波形、波幅、频率和位相的曲线即为脑电图。放电频率决定了大脑活跃频率或波长,这是可以用赫兹或秒周期来计量的。脑电图对癫痫诊断价值最大,用脑电图监控外伤或癫痫病人的意识,可以帮助确定诊断和分型,对诊断脑肿瘤或损伤有一定帮助,也可用来研究睡眠

  相比于脑电图,脑皮层电流描记法能直接记录来自大脑皮层的脑波数据。在临床上,里奥萨德和其他神经外科医生用这种方法来鉴别抗癫痫药物作用源区,绘制出这些区域以便通过外科手术清除病灶。得到病人允许后,他们将电极阵列放在癫痫病人颅骨以下的大脑皮层表面,监控大脑活动波谱,以找到抗癫痫药物在大脑中的作用源区,与传统的脑电波监控手段相比,这种方法获得的结果要更加详细。

  精细解码脑电波

  利用电极阵列收集大脑活跃性频率的数据,可以获得更多重要的内部观察资料。里奥萨德既是神经外科教授,也是神经生物学与生物医学工程教授。他说:“EEG只能监控40赫兹及以下的频率,但是脑皮层电流描记让我们能对500赫兹以下频率的脑电波活动进行监控,从而能完整地研究大脑活动的生理机制,得到更好的信号,并能更准确地定位信号的来源去向。”

  里奥萨德和同事通过电极阵列来观察外科麻醉后的意识减弱和恢复过程,研究结果发表在去年12月出版的美国《国家科学院院刊》上。他们发现,每个频率都产生了不同的信息,这显示出不同的神经回路会如何随着意识的减弱而变化。

  在失去意识过程中,按某种顺序发生了一系列变化,在恢复意识的过程中以相反的顺序重复。某个频率区的活动性称为伽玛带,被认为是神经元与其附近神经元之间交流传输信息的表现,随着伽玛带频率的下降或回归,病人失去或恢复意识。

  “不管病人麻醉得有多深,某个大脑网络总是以很低的频率保持活跃性不变,”里奥萨德说,“大脑活跃性频率高低频之间有着某种关联,这种关联也不会变,我们推测这可能与某些记忆回路有关。”

  在另一篇发表于2月9日《神经科学杂志》上的研究论文中,里奥萨德和同事证明了,大脑特定区域的波长可以用来测定该区域在当时执行的功能。他们将一个电极放在多个不同的脑区,包括语言中枢测量脑活性数据,集中分析这些数据显示,病人的许多信息可通过脑区中的活性高频带获得。比如:是否听到了一个单词?是否准备说出一个他听到或看到的单词?是否正在说一个他听到或看到的单词?

  “一直以来,我们把大脑活动频率作为一个整体,用来研究一个现象,但我们发现这些频率并非毫无差别,而是非常多样。”里奥萨德说,“我们用脑皮层电流描记法分析这些频率,可解码更多的体现大脑活动和认知意向的电流脉冲,因此可更多地从大脑无线电台中获得信息。”