间断theta脉冲磁刺激对空间工作记忆相关神经振荡及其同步性的影响

目的间断theta脉冲磁刺激(iTBS)已被证实可以通过夹带大脑不同频段神经振荡调控工作记忆功能,但其对神经振荡及其同步性的调节尚不清晰。本研究旨在探讨iTBS对大鼠局部脑区及跨脑区神经振荡及其同步性的影响,探究iTBS调控工作记忆的作用机制。方法24只大鼠根据年龄及是否接受iTBS分为4组,应用时频分布、相位同步性以及相位-幅值耦合分析方法,对比分析各组大鼠在进行空间工作记忆(SWM)行为学任务的过程中前额叶和海马脑区theta及gamma频段局部场电位信号神经振荡的变化规律。结果随着年龄增长,老年大鼠学会SWM任务规则所用时间明显增加(P=0.0056);iTBS可以缩短成年大鼠(P=0.0011)和老年大鼠(P=0.0090)学会SWM任务规则所用时间。相比成年大鼠,老年大鼠前额叶和海马脑区theta和gamma频段神经振荡的时频能量(theta:P<0.0001;gamma:P<0.0001)、跨脑区相位-幅值耦合作用(PFC-HPC:P=0.0002;HPC-PFC:P=0.0277)均出现一定程度的下降;iTBS可以提高成年大鼠(theta:P<0.0001;gamma:P<0.0001)和老年大鼠(theta:P=0.0144;gamma:P=0.0006)神经振荡的时频能量以及老年大鼠跨脑区相位-幅值耦合作用(PFC-HPC:P=0.0180;HPC-PFC:P=0.0221)。此外,两脑区各频段信号的时频能量及相位-幅值耦合与大鼠行为学正确率均具有正相关关系。结论iTBS可以增强老年大鼠的SWM能力以及认知功能,这与老年大鼠SWM任务期间跨脑区theta频段和gamma频段神经振荡的时频能量以及跨脑区相位幅值耦合增强有关。对于成年大鼠,iTBS通过提升成年大鼠SWM任务期间两脑区theta频段和gamma频段神经振荡的时频能量增强其SWM能力与认知功能。

神经振荡在意识障碍诊疗中的应用展望

意识障碍(DOC)的诊断及治疗具有挑战性,DOC的神经机制之一是神经振荡同步性及连接性的破坏。本文从神经振荡应用于DOC诊疗的理论基础、应用进展以及存在不足3个方面评述了神经振荡在DOC诊疗中的研究进展。神经振荡即神经元群在特定条件下产生的周期性、同步性的放电活动,在不同程度DOC中神经振荡的频谱特征、相位同步及对神经调控反应方面有明显差异,基于脑电图(EEG)的神经振荡分析揭示了不同意识水平下的信息传递及处理能力,从而有助于更准确地区分不同程度DOC以及通过调节神经振荡达到DOC促醒治疗的目的。尽管目前仍存在机制研究不深入、应用转化较慢等问题,但神经振荡已在DOC的诊疗中显示出了巨大的应用潜力。

视觉注意与神经振荡

人脑每时每刻都要接收大量视觉信息,由于人脑加工信息的能力有限,所以在较大视野内将注意分配给相关信息,同时抑制引起注意分散的不相关信息,对执行目标导向的行为至关重要。这种对视觉信息的选择性和主动性加工以适应当前目标的过程被称作视觉注意(visual attention),且视觉注意可分为自上而下的注意与自下而上的注意两种不同功能。由于来自大脑电信号的神经振荡活动在认知加工中发挥重要作用,已有研究综述了视觉注意与神经振荡(neural oscillation)的密切关系,但并未涉及不同的注意功能与神经振荡的关系。本文系统性调查了不同注意功能与神经振荡的关系,发现额-顶区域的theta频带振荡活动反映了自上而下的认知控制,而后部脑区的theta振荡与自下而上的注意相关。顶-枕区域alpha振荡的偏侧化有助于注意分配,而alpha频带的大规模同步促成了注意对视皮层自上而下的影响。Beta振荡介导了自上而下的信息与自下而上的信息之间的互动,作为信息载体促进了视觉信息处理。Gamma振荡则可能与自上而下和自下而上的注意间整合相关。本文就视觉注意功能与神经振荡关系的研究现状展开综述,旨在揭示不同的神经振荡活动在特定的视觉注意功能中的作用。

节律性听觉刺激下的神经振荡同步化及其应用

大脑的感觉、情绪、认知等功能与其神经振荡模式有密切的联系。通过施加节律性刺激可以调控大脑的神经振荡模式,进而影响个体感受、情绪状态和认知功能等。与近年来常见的非侵入性电刺激和磁刺激相比,同样依赖于外部刺激输入的节律性感觉刺激具有成本低、易操作等优点,被认为是一种极具潜力的神经调控手段。本文以节律性听觉刺激为例,系统综述了不同类型的节律性听觉刺激如何影响大脑的神经振荡模式,进而影响相关状态和功能;并通过总结外部节律性听觉刺激对个体感知觉、情绪与认知功能的影响,讨论其生理机制和应用前景。

知觉相关的神经振荡-外界节律同步化现象

具有特定频率的节律性刺激能同步大脑内相应频率的神经振荡,使神经活动与外界刺激发生相位锁定,称之为神经振荡-外界节律同步化(neural entrainment).这种同步化的现象伴随着大脑内神经元集群兴奋水平的周期性波动,并与节律信息加工、知觉及注意等认知过程存在关联.得益于其非侵入、易操作以及能有效调控神经活动的特性,神经振荡-外界节律同步化成为了研究神经振荡与知觉和认知功能关系的有力手段,也为认知障碍诊断及干预提供了新的思路和方法.

Gamma神经振荡产生机制及其功能研究进展

Gamma神经振荡的频率在30～100 Hz之间,存在于动物和人类大脑的多个区域,如丘脑、体感皮层以及海马等部位,在各个尺度水平上都可被检测到.抑制性中间神经元组成的神经网络是产生此高频节律性活动的主要条件之一.皮层的gamma神经振荡与丘脑-皮层系统有关.Gamma神经振荡具有易化突触可塑性和调节神经网络的作用,主要参与感觉特征绑定、选择性注意以及记忆等高级功能.

前额叶神经振荡活动反映了稳固的刺激冲突和反应冲突

为考察典型Flanker任务中练习对刺激冲突和反应冲突的影响,本研究采用练习范式记录被试完成2:1字母Flanker任务时的行为和脑电数据。行为结果发现,练习对这两类冲突无显著影响。神经震荡能量结果发现,前额叶theta能量随练习而显著减弱,这暗示刺激-反应之间的联结因练习而提升;前额叶alpha能量差异不随练习而变化,这可能反映了Flanker任务中稳定的刺激冲突和反应冲突加工机制。因此,本研究揭示了典型Flanker任务中刺激冲突和反应冲突的稳定特征。

神经系统疾病与认知动力学(Ⅱ):神经振荡与认知动力学

大脑神经系统具有从慢到快多种不同的振荡节律,这些节律振荡被认为参与了大脑多种功能的实现,其中高频的伽马同步振荡被认为与大脑的认知功能最为相关.本文阐述了生物学实验方面关于伽马振荡及其功能的研究进展,并针对实验中伽马振荡的频率敏感依赖于外部刺激特征的现象,综述了基于神经网络模型进行变频伽马振荡及其认知功能的动力学建模研究工作,解释了视觉刺激调控的变频率伽马振荡动力学产生机理,提出了基于同步抑制增强全局放电率对比度的神经认知机制.研究成果有助于理解神经系统同步振荡的产生机理及其认知作用,为大脑认知原理以及类脑智能的研究奠定基础.

基于混合神经振荡器的爬行四足机器人运动协调控制

中枢神经模式振荡器常用于多足机器人运动协调控制。为实现含有主动柔性躯干的爬行四足机器人运动协调控制,构建一种混合神经振荡器。该振荡器利用Hopf振荡器和Kuramoto振荡器对机器人四肢和躯干进行协调控制,并通过建立二者之间的耦合关系实现四肢与躯干的协调运动。利用仿真平台搭建爬行四足机器人虚拟样机,对静走步态、对角步态以及两种步态间柔顺切换分别进行直线运动仿真,同时对该协调控制进行可行性验证,获得虚拟样机运动图像以及其足端轨迹曲线。仿真结果表明:该混合神经振荡器可实现机器人的静走与对角步态直线运动;通过建立静走和对角步态下四肢与躯干之间的协调关系,并改变机器人各腿部振荡器之间的相位差,能进行两种步态之间的柔顺切换。

海马CA3区θ~γ神经振荡模拟刺激对大鼠空间认知能力的影响

目的:探讨海马CA3区θ~γ神经振荡模拟交替刺激对大鼠空间认知能力的影响及其机制。方法:依据迷宫电击回避实验结果将实验大鼠分为快回避反应组和普通回避反应组;利用在体脑深部刺激方法,模拟快回避反应组内生θ~γ神经振荡刺激普通回避反应大鼠海马CA3区,即为模拟刺激组。利用Y迷宫电击回避实验检测模拟刺激对大鼠空间认知能力的影响;利用小波包提取方法分析模拟刺激后大鼠海马CA3区θ~γ神经振荡相位-幅度耦合情况;利用蛋白质印迹法检测大鼠海马组织N-甲基-D-天冬氨酸受体2B(NR2B)亚型、突触后致密区95(PSD-95)的表达。结果:与普通回避反应组比较,模拟刺激组电击回避训练达标所需时间、达标所需测试次数、正确反应时间、错误反应次数均明显减少,正确反应率明显提高(均P<0.01);同时,模拟刺激组海马CA3区θ~γ神经振荡多个频段(3~5 Hz与30~34、38~42、44~48 Hz;5~7 Hz与42~46、44~48、54~58 Hz)耦合度明显高于普通回避反应组(均P<0.05);另外,模拟刺激组海马NR2B亚型及PSD-95表达量显著增加(均P<0.05)。结论:大鼠海马内生θ~γ神经振荡模拟交替刺激明显提高了普通回避反应大鼠空间认知能力,而这种空间认知能力的提高可能是由PSD-95调控的NR2B亚型介导的突触可塑性增强引起。

神经振荡交叉节律耦合的生理学意义及在神经工程基础研究中的应用

交叉节律耦合(cross-frequency coupling,CFC)反映了不同时空尺度上信息的整合与交流,在神经信息通讯和促进突触可塑性等方面有重要作用.其中,相位-幅值耦合(phase-amplitude coupling,PAC)与工作记忆中多重对象的维持以及长时程记忆的回忆过程相关.此综述较全面地介绍了神经振荡CFC现象,阐述了其对应的生理学意义,给出了量化分析CFC的3种常用算法及其应用,并简单描述了CFC在神经工程研究中的潜在应用.

基于神经振荡器网络的计算听觉场景分析

神经振荡器网络模型运用振荡元相关进行听觉场景分析,不同声源所激励的振荡元形成异步流,而同一声源激励的振荡元是同步的。在该模型的组合层中,引入阈值,可有效保留语音信息,提高了信噪比,最后合成的语音信息是可理解的。

条件化恐惧记忆消退的神经振荡机制

恐惧作为个体应对内外界危险因素形成的自我保护机制的一部分,在生物体的生存中发挥着重要作用.但过度的恐惧不仅对个体生存无益,反而易引发创伤后应激障碍、焦虑等精神疾病,严重影响个体生活质量.临床上通常采用基于行为学研究结果的暴露疗法对恐惧相关疾病进行治疗,然而在患者处于治疗环境之外的时候,上述症状经常会复发.因此,解析恐惧记忆相关神经环路内信息处理的神经机制,对于理解这些疾病的发生发展,寻求切实有效的治疗方案至关重要.大量研究表明与恐惧记忆消退相关的脑区主要涉及杏仁核、内侧前额叶和海马.在恐惧消退的过程中,这3个脑区表现出特定的神经振荡模式,而且这些活动也具有同步性,构成了恐惧记忆成功消退的神经基础.未来可利用基于神经神经振荡的无创性脑刺激手段干预恐惧记忆消退的神经环路,以促进恐惧记忆的消退并避免复发,为恐惧相关障碍的临床治疗提供重要的科学依据.

任务提示的脑认知加工过程中神经振荡机制研究

任务切换实验是评估人类认知灵活性的有效范式,其中提示语切换实验(Task Cuing)能够有效地测量任务切换的认知过程.为了深入研究任务切换的认知过程,本文设计了提示语(cue)和之后刺激(Target)比例为1∶8的提示语切换实验,采集了50名在校大学生的脑电.结合事件相关电位和事件相关谱扰动、序间相位相干、事件相关相位互相干等时频分析的方法研究了任务切换认知过程中的神经振荡机制.实验结果显示,在P200时间段里,腹侧前额叶与后顶叶之间神经振荡存在相位同步现象,并且后顶叶电极神经震荡的相角滞后于前额叶电极,这表明P200对应的检索过程是由前额叶驱动后顶叶的一种自上而下的控制过程.在P300的时间段里,对theta波段频谱分布的研究结果显示了切换任务中大脑的激活强度显著大于重复任务中大脑的激活强度,而且,两种任务中该频段的能量均主要分布在右侧后顶叶,它揭示了任务集配置和更新与theta波段神经振荡之间的密切关系.本文以上发现为揭示大脑认知灵活性的神经振荡机制提供了一种新的途径,有助于我们深入了解任务切换的认知加工过程.

γ节律神经振荡:反映自闭症多感觉整合失调的一项重要生物指标

多感觉整合是对不同感官信息进行选择、联系、统一乃至解释的加工过程,它需要神经系统不同功能区域的共同投入与相互协调,以实现多种感觉信息的时间捆绑以及全局性的预测编码。而γ神经振荡因具有反映神经皮层兴奋/抑制的平衡状况,实现多感官信息的时间同步,以及通过跨频耦合实现全局性预测编码的特点,在多感觉整合的加工过程中发挥着重要作用。相比正常个体,自闭症患者神经系统中的GABA中间神经元存在结构与功能异常,导致γ神经振荡紊乱,由此破坏了正常的时间同步以及预测编码加工,并最终引发多感觉整合失调。基于上述因果关联,未来研究可结合无创可逆性干预技术,以γ节律神经振荡为生物反馈指标,形成科学系统化的临床干预治疗方案。

创造力产生过程中的神经振荡机制

创造力究竟是怎么产生的,目前尚未得出一致的结论。神经电生理技术因其高时间分辨率,可以准确地揭示创造力产生进程中的神经振荡机制,从而帮助人们更深刻地理解创造力的本质。近年来的研究发现,单节律alpha神经振荡会随着创造力的增加而增强,这反映了创造力产生过程中的内部信息加工需求增加、自上而下的抑制控制增强。同时,多频段神经振荡交叉节律耦合体现了创造性产生过程中额叶、颞叶和顶叶等多脑区之间信息交流的动态变化。未来研究应该以整合理论框架为基础,结合多层次多方法的研究工具,引进更生态化的数理计算方法,并利用计算神经科学建模来预测个体创造力发展趋势,从而全面深刻地认识创造力的本质。

Gamma神经振荡和信息整合加工

Gamma神经振荡是一种基础神经活动。它的特性使其与"信息整合加工"产生了潜在联系。已有研究显示,自下而上的跨通道信息整合与感觉皮层的Gamma振荡同步化有关;单通道自上而下的信息整合与高级皮层的Gamma振荡增强有关。现有的"神经耦合理论"和"匹配利用模型"分别描述了Gamma振荡如何在"自下而上"及"自上而下"的信息整合中发挥作用。Gamma振荡虽与整合加工密切相关,但作为指标需谨慎。对于Gamma振荡在复杂情景整合加工中的作用仍待探究。

自我信息的反应抑制优势：来自神经振荡的证据

为探明个体对自我信息的反应抑制神经机制,记录了被试在完成面孔识别的停止信号任务时的脑电信号。神经振荡结果显示,反应任务中,加工自我面孔引发了更大的同步化δ节律和去同步化β节律;停止任务中,自我面孔引发了更大的去同步化β节律,特别在大脑前额区和中线上。表明,自我信息的反应抑制优势发生在抑制控制阶段,在于增强的β节律的去同步化促进了运动准备,提高了后续的动作抑制的速度。

七氟醚麻醉通过c-fos和神经振荡影响小鼠苏醒期恐惧记忆

目的探讨c-fos和神经振荡在七氟醚麻醉小鼠苏醒期恐惧记忆中的作用。方法选择SPF级雄性成年C57BL/6小鼠270只,8~10周龄,体重18~24 g。将小鼠随机分为三组:A组吸入2.5%七氟醚麻醉2 h;B组吸入2.5%七氟醚麻醉6 h;C组吸入2.5%七氟醚麻醉2 h,连续3 d,每组90只。所有小鼠先进行恐惧条件实验训练,训练后1 d进行相应的七氟醚麻醉处理,记录麻醉停止到翻正反射出现(苏醒)的时间。于麻醉前30 min(T_(0))、翻正反射出现后5 min(T_(1))、30 min(T_(2))和60 min(T_(3))对小鼠进行恐惧条件实验测试,记录冻结时间百分比。于T_(0)、T_(1)时进行旷场试验,记录小鼠运动总路程和在中心区域停留时间。A组随机另取6只小鼠于麻醉前1周在海马组织植入微电极,后将小鼠放回原来的笼子恢复1周,于T_(0)—T_(3)时记录Delta、Theta、Alpha、Beta和Gamma波相对能量值。于T_(0)—T_(3)时采用免疫荧光法检测海马组织c-fos阳性细胞数,采用Western blot法记录海马组织c-fos蛋白相对含量。结果与T_(0)时比较,T_(1)时A组和B组冻结时间百分比明显升高(P<0.05),B组中心区域停留时间明显缩短(P<0.05)。B组停止麻醉到翻正反射出现的时间明显长于A组(P<0.05),T_(1)时冻结时间百分比明显低于A组(P<0.05),T_(1)时中心区域停留时间明显短于A组(P<0.05)。C组停止麻醉到翻正反射出现的时间明显短于B组(P<0.05),T_(1)时冻结时间百分比明显低于A组和B组(P<0.05),T_(1)时中心区域停留时间明显长于B组(P<0.05)。与T_(0)时比较,A组T_(1)时Theta波和T_(1)、T_(2)时Gamma波相对能量值明显升高(P<0.05),T_(1)时海马CA1区c-fos阳性细胞数明显增多(P<0.05),T_(1)时海马组织c-fos蛋白相对含量明显升高(P<0.05)。与T_(1)时比较,A组T_(3)时Theta波和T_(2)、T_(3)时Gamma波相对能量值明显降低(P<0.05),T_(2)、T_(3)时海马CA1区c-fos阳性细胞数明显减少(P<0.05)。结论c-fos表达上调和神经振荡增强参与单次短时间吸入七氟醚增强小鼠苏醒短时间内恐惧记忆的过程,但这一效应随着苏醒后时间的延长而逐渐消失。

工作记忆的神经振荡调控:基于神经振荡夹带现象

工作记忆的神经振荡机制研究是当前记忆领域的研究热点之一。那么,神经振荡仅仅是工作记忆过程的伴随现象,还是直接参与并调控了工作记忆的加工过程?已有研究发现,大脑内部的神经振荡活动在外界节律性刺激的驱动下,逐步与外界刺激节律相位同步化,这一现象被称为“神经振荡夹带”。重复经颅磁刺激(repetitive Transcranial Magnetic Stimulation,rTMS)和经颅交流电刺激(transcranial Alternating Current Stimulation,tACS)干预研究基于此现象,对大脑局部脑区施加节律性磁、电刺激,进而调控工作记忆过程中特定频段的神经振荡活动、跨频段的神经振荡耦合或跨脑区的神经振荡相位同步,为神经振荡参与工作记忆加工提供较为直接的因果证据。未来研究需考虑从脑网络的角度出发,调控多个脑区之间的神经振荡活动,进一步考察神经振荡对工作记忆的影响。此外,还需注意探索和优化r TMS/t ACS调控工作记忆的刺激方案,并辅以客观的脑电记录,提高该类研究的有效性和可重复性,最终达到提高工作记忆能力的目的。