一个多世纪以来，科学家们一直观察大脑中同步神经元活动的节律性波动。如今，耶鲁大学的研究人员首次确定了其中一种特定活动——即伽马波——的起源位置，并将其与行为直接联系起来。
通过开发一种高精度的新方法来测量大脑活动，研究团队克服了长期存在的技术障碍，这些障碍曾阻碍了人们对这些振荡如何促进信息处理和行为控制的清晰理解。
这些发现最近发表在《自然》杂志上。
意外发现的后续
耶鲁医学院神经科学戈登·M·谢泼德教授、该研究的资深作者杰西卡·卡丁博士最初并未计划重新研究这一课题。作为博士后研究员，她先前曾证明伽马波可以在大脑中被人工诱导，但她认为测试其功能的“完美实验”几乎不可能实现。
在神经科学中，确定基因、蛋白质或神经节律等元素的作用通常涉及干扰它以观察后果。然而，这种方法对脑振荡并不适用。
卡丁博士（耶鲁大学吴蔡神经科学研究所成员）表示：“问题一直在于，对于振荡或活动模式这样的东西，你真的无法将其关闭而不影响周围脑回路中的所有东西。所以当我开始自己的实验室时，我认为我们永远不会在这个领域工作。”
情况在她的一位博士后研究员、该研究的第一作者昆汀·佩雷诺德博士展示了一项引人入胜的数据后发生了变化。他在追踪信息在行为任务中通过大脑的移动时收集了这些数据。结果显示，伽马波可能在预测行为。受证据的鼓舞，研究团队继续深入调查，最终揭示了挑战长期以来关于这些脑节律如何产生的假设的发现。
卡丁表示：“这还不完全是一个完美的实验，但它比我们以前所能达到的要接近完美实验得多。”
伽马活动源于丘脑与皮层的相互作用
为了进行这项研究，研究团队创建了一种新的、高度详细的方法来测量伽马波。这些脑振荡一度被认为像声波一样平滑、连续地上升和下降。然而，最近的证据表明，伽马活动并非以稳定流的形式出现，而是以短暂、间歇性的爆发形式出现。
基于这一概念，研究人员在视觉皮层——大脑中负责处理视觉信息的区域——的16个不同位置记录了神经元活动。这使他们能够更精确地捕捉伽马活动的空间和时间动态。然后，他们将记录分割成单个的伽马事件，每个事件代表一个波峰到波谷再到波峰的完整周期。
如果伽马活动确实表现为连续振荡，那么将所有这些离散事件组合起来会产生一个无缝的波形模式，跨越记录的脑区域。
卡丁说：“但事实证明，这些事件可以一起发生，或以小爆发的形式，或单独发生。它们不是以长序列发生的。”
这种方法被研究人员命名为CBASS（基于状态和频谱时域特征的频带限制活动聚类），在研究伽马活动方面提供了比其他技术更高的灵敏度。
卡丁表示：“它使我们能够获得非常精细的时间控制，并清晰地识别这些短事件，这意味着我们可以在有趣的时刻（例如动物做决策时）以极高的精度绘制它们。这意味着我们可以将大脑中的事件与动物的行为以前所未有的精度联系起来。”
关于伽马活动的起源，一直有两种观点。大量现有证据支持伽马活动在皮层中产生的观点。但一些研究表明，皮层可能从大脑其他部位继承了这种活动——例如，来自向皮层发送大量感觉和运动信息的丘脑。
卡丁表示：“通过这种新方法，我们的数据表明这两种观点都是错误的，这种活动源于丘脑和皮层之间的相互作用。伽马活动是动态产生的，当丘脑向皮层发送输入时，它在皮层被放大。”
干扰来自丘脑的信号影响行为
CBASS的精确性还赋予了研究人员梦寐以求的能力——以不影响整个大脑的方式干扰这些活动模式。
为此，研究人员首先训练小鼠完成一项视觉任务：只有当显示特定视觉刺激时，小鼠舔水龙头才能获得奖励。然后，研究人员干扰了丘脑发送给皮层的信号，这反过来扰乱了皮层中的伽马活动。
这种伽马活动干扰导致小鼠在视觉任务中的表现大大下降。因此，研究人员采取了相反的方法，人工启动伽马活动。
卡丁表示：“我们记录了正在检测视觉刺激的小鼠的伽马活动，然后将其回放给其他小鼠的大脑。当我们这样做时，它欺骗小鼠认为它们检测到了刺激。”
综合来看，这些发现表明皮层中的伽马活动支持视觉信息的整合，并参与由此产生的行为反应。这一点很重要，因为研究表明，这种活动在神经发育障碍、精神分裂症、双相情感障碍以及神经退行性疾病患者中发生了改变。
未来方向：将伽马活动与疾病和认知联系起来
卡丁的实验室现在正在研究皮层中的伽马活动是否可用作阿尔茨海默病等疾病的早期生物标志物。乙酰胆碱和去甲肾上腺素是丘脑和皮层中的关键信号分子，与认知紧密相关，并在神经退行性疾病中丧失。这些神经调节信号已知可调节脑活动模式。
卡丁表示：“我们开始研究神经调节信号如何与这些伽马事件相关联，并将应用我们的工具更好地理解神经退行中出错的序列。这可能导致一种易于在人类中获取的、可解释的阿尔茨海默病早期生物标志物。”
参考文献：“通过离散伽马事件的灵活感知编码”，作者昆汀·佩雷诺德、安东尼奥·H·德·O·丰塞卡、奥斯汀·艾尔哈特、詹姆斯·博纳诺、毛荣和杰西卡·A·卡丁，2025年10月8日，《自然》。DOI: 10.1038/s41586-025-09604-9
本新闻报道中报告的研究得到了美国国立卫生研究院（资助号EY022951、EY035127、MH113852和EY026878）和耶鲁大学的支持。内容完全由作者负责，不一定代表美国国立卫生研究院的官方观点。额外支持由麦克奈特基金会、卡夫利神经科学研究所和脑与行为研究基金会提供。
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