神經(jīng)科學(xué)中一個最大難題就是,，大腦是怎樣在細(xì)胞水平為思維——如認(rèn)知和記憶編碼的,。已有證據(jù)顯示，不同的神經(jīng)元集群代表了不同的信息,，但還沒人知道這些集群是什么樣子或怎樣形成的,。據(jù)物理學(xué)家組織網(wǎng)近日報(bào)道，最近,，美國麻省理工大學(xué)和波士頓大學(xué)通過研究猴子行為,，揭示了神經(jīng)元集群怎樣形成思維，并為思想的靈活變化提供支持,。相關(guān)論文發(fā)表在近日出版的《神經(jīng)元》雜志上,。
該研究由麻省理工大學(xué)皮科瓦學(xué)院神經(jīng)科學(xué)教授埃爾·米勒領(lǐng)導(dǎo)，他們發(fā)現(xiàn)神經(jīng)元集群是通過彼此同步振動的方式來給某個行為規(guī)則編碼,。研究人員指出,，這一發(fā)現(xiàn)表明意識的本質(zhì)屬性可能是有節(jié)律的,。
“當(dāng)我們交談時，各種想法在頭腦中不斷浮現(xiàn)又消失,，這些都是各種神經(jīng)元集群在不斷形成,，組成一種形式，再改成其他形式,。但大腦是怎樣做到這一點(diǎn)的還是個謎,。”米勒說，這也正是思維本身的真正性質(zhì),。
研究人員識別出了猴子腦中的兩組神經(jīng)元集群,。他們訓(xùn)練這些猴子根據(jù)物體不同的顏色和方向作出不同的反應(yīng)，這要求猴子在認(rèn)知上有靈活性——在兩套不同行為規(guī)則之間轉(zhuǎn)換的能力,。“事實(shí)上,，它們所做的是把注意力集中在物體信息的某些方面，而忽略其他方面,。它們選擇哪種行為取決于環(huán)境。”論文領(lǐng)導(dǎo)作者之一,、麻省理工大學(xué)博士后蒂姆·布施曼說,。
當(dāng)猴子改變?nèi)蝿?wù)時，研究人員檢測了它們整個前額葉皮質(zhì)（大部分計(jì)劃,、思考發(fā)生在這里）不同區(qū)域所產(chǎn)生的腦波，發(fā)現(xiàn)神經(jīng)元電流以節(jié)律性振動的形式產(chǎn)生了腦波,。當(dāng)猴子以方向?yàn)榕袛鄿?zhǔn)則時,，某些神經(jīng)元以高頻振蕩，產(chǎn)生了β頻率波動,；以顏色為準(zhǔn)則時,，另一組神經(jīng)元產(chǎn)生了β波,。有些神經(jīng)元會重疊,，多組集群都會用到它們，但每組集群都有自己的組合方式,。而且,，當(dāng)以顏色為準(zhǔn)則時，曾經(jīng)的“方向組”神經(jīng)元之間出現(xiàn)了低頻α波,。研究人員認(rèn)為,，α波與腦活動抑制有關(guān)，能幫助那些“方向組”的神經(jīng)元安靜下來,。
“這表明方向準(zhǔn)則是占優(yōu)勢的,，顏色準(zhǔn)則相對較弱。大腦對‘方向組’發(fā)出了一陣α波，讓它們平息下來,，這樣猴子才能使用較弱的神經(jīng)組,。”
目前，研究小組正致力于探索大腦在不同規(guī)則之間切換,，也就是思考的時候,，神經(jīng)元集群之間是怎樣協(xié)調(diào)彼此行為的。有些神經(jīng)科學(xué)家認(rèn)為,，這需要有更深的腦結(jié)構(gòu)起作用,，比如丘腦來執(zhí)行這一協(xié)調(diào)任務(wù)，但還沒人能確證這一點(diǎn),。米勒說：“究竟是什么在控制著你的思維,？這是認(rèn)知上的最大秘密。”
該研究也有助于揭示意識的神經(jīng)基礎(chǔ),。米勒說：“意識最基本的特征是它的容量有限,，能在頭腦里并存的思想非常少。”這些波動解釋了為何意識容量是有限的,。當(dāng)一個動物同時思考兩件事時,，需要兩組不同的集群以β頻率振動，它們互相干擾了相位,。適合一個波動周期的信息數(shù)量是有限的,，破壞這些振動可能導(dǎo)致神經(jīng)紊亂，如精神分裂癥,。研究還顯示,，精神分裂癥患者的β振動減少。（生物谷Bioon.com）
doi.:10.1016/j.neuron.2012.09.029
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PMID:
Synchronous Oscillatory Neural Ensembles for Rules in the Prefrontal Cortex
Timothy J. Buschman, Eric L. Denovellis, Cinira Diogo, Daniel Bullock, Earl K. Miller
Intelligent behavior requires acquiring and following rules. Rules define how our behavior should fit different situations. To understand its neural mechanisms, we simultaneously recorded from multiple electrodes in dorsolateral prefrontal cortex (PFC) while monkeys switched between two rules (respond to color versus orientation). We found evidence that oscillatory synchronization of local field potentials (LFPs) formed neural ensembles representing the rules: there were rule-specific increases in synchrony at “beta” (19–40 Hz) frequencies between electrodes. In addition, individual PFC neurons synchronized to the LFP ensemble corresponding to the current rule (color versus orientation). Furthermore, the ensemble encoding the behaviorally dominant orientation rule showed increased “alpha” (6–16 Hz) synchrony when preparing to apply the alternative (weaker) color rule. This suggests that beta-frequency synchrony selects the relevant rule ensemble, while alpha-frequency synchrony deselects a stronger, but currently irrelevant, ensemble. Synchrony may act to dynamically shape task-relevant neural ensembles out of larger, overlapping circuits.
