在显微镜下观察手机上的像素可能会提供非常丰富的信息，但如果您的目标是了解屏幕上的整个视频显示的内容，则不然。认知与大脑中的自然属性非常相似。 麻省理工学院的三位神经科学家认为，只有通过观察数百万个细胞如何协调行动才能理解这一点。在一篇新文章中， 他们提出了一个框架，用于理解振荡电场(也称为脑“波”或“节奏”)驱动的神经活动协调如何产生思想。

皮考尔教授厄尔·米勒(Earl Miller)以及研究科学家斯科特·布林卡特(Scott Brincat)和杰斐逊·罗伊(Jefferson Roy)在行为科学的当前观点中写道，历史上大脑节律仅被视为神经活动的副产品而被忽视，但实际上对于神经活动的组织至关重要 。虽然神经科学家通过研究单个脑细胞如何连接以及它们如何以及何时发出“尖峰”以通过特定电路发送脉冲而获得了大量知识，但还需要在大脑节律尺度上理解和应用新概念，这些概念可以跨越单个甚至多个大脑区域。

“尖峰和解剖学很重要，但除此之外，大脑中还发生了更多的事情，”资深作者、麻省理工学院皮考尔学习与记忆研究所和大脑与认知科学系的教员米勒说。 “很多功能都在更高的层面上发生，尤其是认知。”

作者写道，以这种规模研究大脑的风险可能不仅包括了解健康的高级功能，还包括这些功能如何在疾病中受到破坏。

他们写道：“许多神经和精神疾病，例如精神分裂症、癫痫和帕金森氏症，都与神经同步性等突发特性的破坏有关。” “我们预计，了解如何解释和处理这些新出现的特性对于开发有效的治疗方法以及理解认知至关重要。”

思想的出现

研究人员写道，单个神经元的规模与许多细胞的更广泛协调之间的桥梁是建立在电场的基础上的。通过一种称为“触觉耦合”的现象，神经元活动产生的电场可以影响邻近神经元的电压，从而在它们之间形成对齐。这样，电场既反映神经活动，又影响神经活动。在 2022 年的一篇 论文中，米勒和同事通过实验和计算模型表明，神经元群产生的电场中编码的信息比单个细胞尖峰编码的信息可以更可靠地读出。 2023 年，米勒的实验室提供了证据，证明节律电场可以 协调 区域之间的记忆。

在更大的范围内，节律电场在大脑区域之间传递信息，米勒的实验室发表了大量研究，表明所谓的“β”频带中的低频节律起源于大脑皮层的更深层，并且 似乎 调节较浅层中频率更快的“伽玛”节奏的力量。通过记录参与工作记忆游戏的动物大脑中的神经活动，实验室发现β节律携带“自上而下”的信号来控制伽马节律何时何地编码感官信息，例如动物需要记住的图像。游戏。

实验室的一些最新证据表明，β节律将对认知过程的这种控制应用于皮层的物理斑块，本质上就像模板一样，图案化了伽马可以在何时何地将感觉信息编码到记忆中或检索它。根据米勒称之为“空间计算”的这一理论，β 可以由此建立任务的一般规则(例如，打开密码锁所需的来回转动)，即使具体信息内容可能会发生变化(例如例如，组合改变时的新数字)。作者写道，更一般地说，这种结构还使神经元能够一次灵活地编码多种信息，这是一种被广泛观察到的神经特性，称为“混合选择性”。例如，编码多个锁组合的神经元也可以根据其所在的 beta 模板补丁来分配该数字所涉及的解锁过程的特定步骤。

在新研究中，米勒、布林卡特和罗伊提出了与基于大规模协调节律活动相互作用的认知控制相一致的另一个优势：“子空间编码”。这个想法假设大脑节律组织了大量可能的结果，这些结果可能是由 1,000 个神经元参与独立的尖峰活动产生的。实际上出现的活动“子空间”要少得多，而不是所有许多组合可能性，因为神经元是协调的，而不是独立的。神经元的尖峰就像一群鸟在协调它们的动作。大脑节律的不同阶段和频率提供了这种协调，对齐以相互放大，或抵消以防止干扰。例如，如果需要记住一条感官信息，当感知到新的感官信息时，可以保护代表它的神经活动免受干扰。

“因此，将神经反应组织到子空间中既可以分离信息，也可以整合信息，”作者写道。

作者写道，大脑节律协调和组织大脑信息处理的能力使得功能性认知能够以这种规模出现。因此，了解大脑的认知需要研究节律。