科学网—意识可能隐藏在我们大脑的电场中
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2024-11-15 07:32
| 系统分类: 海外观察
意识可能隐藏在我们大脑的电场中
一个神秘的电磁机制可能比我们大脑中神经元的放电更重要，用来解释我们的意识
作者： Tamlyn Hunt
摄影： Hiroshi Watanabe/Getty Images
神经元，这种构成我们大脑大部分的特殊细胞类型，是当今神经科学的核心。神经科学家将感知、记忆、认知乃至意识本身解释为数十亿这样的微小神经元在我们的大脑内部忙碌地发射它们微小的电压 “尖峰” （ 动作电位 ） 的结果。
这些充满活力的尖峰不仅向我们的意识传递疼痛和其他感觉信息，而且理论上也能解释我们复杂意识的每一个细节。
至少在原则上是这样。这个 “神经代码”的细节尚未被研究出来。
虽然神经科学家长期以来一直关注在脑细胞中传播的尖峰， 但 “非突触”场效应可能是意识和认知的主要机制 。这些 由神经元产生的电场（而非它们的突触放电）所产生的效应，可能在我们心智运作中起着主导作用。
1943年，美国科学家首次描述了今天所知的神经代码或尖峰代码。他们详细阐述了如何通过神经元放电的“全或无”特性完成逻辑运算——类似于今天的计算机工作方式。从那时起，全世界的神经科学家投入了巨大的努力来破解神经代码，以了解认知和意识的具体细节——但收效甚微。
神经科学家马克 ·亨弗里斯在2020年的《尖峰》一书中深入探讨了这一旅程：“我们对你从眼睛到手的旅途中所未遇到的所有事物都知之甚少。”他坦言：“所有我无法告诉你的关于心智的事物，因为我们对尖峰所做的一切了解太少。”
大脑研究者长期以来一直承认， 除了放电之外，神经元还有许多其他沟通方式，包括鲜为人知的非突触耦合机制。 这种耦合是由大脑中等规模和大规模的电磁（ EM）场相互作用产生的，以及伴随突触尖峰（本身是由一种高度局部化的EM场活动产生）操作的更小尺度场在纳米尺度上的作用。
例如，视网膜神经元在没有任何神经放电的情况下运作。 这些细胞利用一种称为电扩散的过程，即带电粒子的扩散，无需突触，这是神经元间的连接点。 电扩散以非常快的速度和高带宽向视神经传递信号。 没有这个过程，我们就看不见。
非突触耦合中的 “非突触”简单地意味着“接触”。尽管不太为人所知， 非突触场效应是由教科书上的电力和磁力交互作用驱动我们细胞的结果 。引人入胜的实验结果表明，这些相同的力量在大脑中扮演的角色比人们怀疑的要大，甚至可能在意识中也是如此。
非突触场效应首次以重要的方式引起我的注意是通过 2019年凯斯西储大学多米尼克·杜兰实验室发表的一篇引人注目的论文。该实验室展示了老鼠皮层在没有突触连接的情况下受到影响——按定义是非突触场交互作用的结果。这个惊人的效果是由杜兰团队在他们把一片老鼠海马体切成两半后测量切片上下的电压潜力时发现的。即使切片完全切断后，测得的电压几乎没有变化，显示出非突触场的强大影响。
他们发现这种影响确实在一定的距离后减弱，正如我们所预期的那样。一旦切割的切片相隔 400微米或更远，非突触场效应就基本消失了。
这些结果被同行评审者认为是如此惊人，以至于他们要求杜兰实验室复制结果两次才批准论文发表。一位学者在当时论文发表时表示，蒋及其同事的发现 “应该（而且非常字面上）给这个领域带来电击。”
另一个团队比较了在不同组织中非突触场效应的传播速度，发现灰质中非突触场的传播速度大约是神经放电的 5000倍快。
这意味着， 正常尖峰路径在大脑中传播一秒钟的距离，在同一时间间隔内，通过非突触效应可以跨越 5000次。如果我们将这个立方体覆盖到大脑的体积上，我们得到的信息密度比突触放电高出惊人的1250亿倍。
这一说法的一个关键注意事项是强调，这只是潜在的信息密度，并不一定意味着这种潜力实际上能够被达到。需要更多的研究来了解我们的大脑实现了多少这种巨大的非突触潜能。
大量证据表明，突触放电对于移动、听觉、触觉等许多功能至关重要，但鉴于非突触场中的信息密度远远大于突触放电，以及非突触场效应的普遍性，如果进化没有利用这一效应来实现重要的大脑功能，那将是极其奇怪的。事实上，看来它确实以多种方式做到了这一点。
加州大学伯克利分校已故传奇神经科学家沃尔特 ·弗里曼在2006年的一篇论文中指出， 传统的突触放电速度无法解释他多年来在兔子和猫身上观察到的认知功能的速度。
相反，最近的非突触效应发现提供了一个坚实的机制来解释这些速度。我们最近的理论论文基于这些发现，提出非突触场效应实际上可能是意识和认知的主要机制，而不是神经放电。
另一篇包括加利福尼亚大学洛杉矶分校的科斯塔斯 ·阿纳斯塔西乌和前加州理工学院神经科学家克里斯托夫·科赫在内的近期论文为非突触效应的重要性提供了强有力的支持。他们发现，实际上，非突触耦合可以解释意识所需的“快速协调”，即使在非常快速的突触缺失的情况下也是如此。
这一篇单独的论文可能会将 非突触场科学 从神经科学的边缘带到前沿。其关于非突触场效应的速度和普遍性的发现可能预示着对认知和意识工作方式的根本新的理解。
Lee SY, Kozalakis K, Baftizadeh F, Campagnola L, Jarsky T, Koch C, Anastassiou CA. Cell-class-specific electric field entrainment of neural activity. Neuron. 2024 Aug 7;112(15):2659-2660. doi: 10.1016/j.neuron.2024.07.011. Epub 2024 Jul 26. Erratum for: Neuron. 2024 Aug 7;112(15):2614-2630.e5.
电场会影响神经元和大脑回路的活动，但这种相互作用如何在细胞水平上发生仍然是个谜。对如何刺激人脑促进或抑制特定活动模式缺乏理解，极大地限制了基础研究和临床应用。在这里，我们研究了电场如何影响主要皮层神经元类别的亚阈值和尖峰特性。我们发现啮齿动物新皮层和海马体以及人类皮层中的皮质神经元表现出强烈的细胞类别依赖性夹带，这取决于刺激频率。兴奋性锥体神经元通常具有较慢的尖峰速率，可夹带慢速和快速电场，而 Pvalb 和 SST 等抑制性神经元具有快速尖峰，主要锁相到快场。我们表明这种尖峰场夹带是两种效应的结果：跨类发生的非特异性膜极化和类特异性兴奋特性。重要的是，刺突场和类别特异性夹带的这些特性存在于跨皮质区域和物种（小鼠和人类）的细胞中。这些发现为选择性和类特异性神经调控技术的设计打开了大门。
介绍
通过刺激装置传递各种形状和形式的外源性电场以改变大脑活动在神经科学中有着悠久的历史。自 Fritsch 和 Hitzig 在手术期间绘制大脑区域1,2 的早期工作以来，细胞外电刺激 （ES） 已被用于研究大脑的功能连接、兴奋性和反应特性。在治疗干预中，ES 缓解神经系统疾病的症状，例如帕金森病3-5、肌张力障碍6、抑郁症7-9、癫痫10,11 等（例如见评论12）。尽管取得了这些进步，但在基本细胞水平上，人们仍然缺乏对当大脑物质受到电刺激以促进某些活动模式或抑制其他活动模式时会发生什么的理解13-17。这限制了 ES 作为基础科学工具的应用，重要的是，它作为脑部疾病的治疗干预。
大脑回路由多个不同和不同的细胞类别组成，但 ES 如何在细胞水平上单独影响这些类别仍然未知。大多数 ES 研究集中在各个大脑区域的兴奋性谷氨酸能神经元（新皮层18,19,17;海马20-23;但也包括24-26）。虽然抑制性 GABA 能细胞的绝对数量较少，但它们在构建和调节大脑回路活动方面起着关键作用27-31。鉴于这种多样性，ES 是否以及如何影响兴奋性和抑制性类别，以及细胞类别对 ES 的明显反应程度仍不清楚。例如，目前尚不清楚抑制类是否像兴奋性神经元一样夹带到 ES，或者它们是否由于其形态紧凑性而保持不受干扰16,32。因此，应用于动物模型和人类大脑的 ES 方案都没有考虑构成大脑回路的显着细胞多样性。
在这里，我们研究了细胞外 ES 对两个皮层大脑区域、视觉皮层和 CA1 海马体的直接影响，使用来自已鉴定的主要兴奋性和抑制性细胞类别的单个神经元的细胞内 （全细胞膜片钳） 和细胞外记录。我们观察到强烈的、差异的和细胞类别特异性的尖峰场夹带，兴奋性神经元已经以较慢的 ES 频率 （8 Hz） 夹带，而抑制性神经元仅以快速的 ES 频率 （30-140 Hz） 夹带。我们还表明，尖峰夹带的类依赖性不是差异亚阈值（即非尖峰）机制的结果，因为跨类、大脑区域的皮层神经元，事实上，物种表现出普遍的、稳健的和与频率无关的膜耦合到 ES 振荡。我们在人类兴奋性皮层神经元中观察到类似的夹带特性这一事实表明，生物物理机制广泛存在，其中每个细胞类别的独特离子通道组成决定了 ES 的类别特异性夹带。后者为设计新的 ES 波形和递送系统打开了大门，可提供更高的选择性和神经控制。
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