大 腦 在 執(zhí) 行運 動 、感知 語 言、 維 持注意力或形成 記憶時 ，會 產(chǎn) 生多種不同尺度和 頻 率 的神 經(jīng)電 活 動 。其中，高伽馬活動（ high gamma activity,HGA，通常指 70–300 Hz 頻 段）是神 經(jīng) 科學(xué)研究中最常用的一 類 信號之一，廣泛 應(yīng) 用于感 覺 、運 動 、注意、 記憶 、 語 言等 腦 功能研究，以及 腦 機接口（ BMI ）解 碼 中【1】。不 過 ，盡管高伽 馬 活 動 被 頻 繁使用，它究竟反映什么 樣 的神 經(jīng)過 程， 長 期以來仍存在爭 議 。一種主流 觀 點 認為 ，高伽 馬 活 動 主要來源于 記錄電 極附近神 經(jīng) 元的尖峰放 電 泄漏到高 頻 局部 場電 位中，因此它代表局部神 經(jīng) 元的 “ 輸 出 ”【2】；另一種 觀 點 則認為 ，高伽 馬 活 動 主要來源于 記 錄點附近突觸后電位（ postsynaptic potentials,PSPs）的 總 和，而 這 些 PSP 反映的是來自更廣泛神 經(jīng) 網(wǎng) 絡(luò) 的 輸 入，因此高伽 馬 活 動 更接近于某個皮 層 區(qū)域的 “ 輸 入 ” 。 這 兩種解 釋 的差異并不只是概念上的不同，而會直接影響我 們 如何解 釋 大量既有研究中高伽 馬 信號的生理意 義 。

近日，來自美國西北大學(xué) Northwestern University 的Marc Slutzky實驗室等在Nature發(fā) 表 論 文 Active Dissociation of Intracortical Spiking and High Gamma Activity ，利用腦機接口范式對這一問題進行了因果性檢驗。該研究揭示：皮層高伽馬活動主要不是局部神經(jīng)元輸出的尖峰放電信息，而是由廣泛分布的神經(jīng)元同步放電所驅(qū)動的局部突觸后電位總和，因此更接近于神經(jīng)輸入的反映，而非輸出（圖1）。

圖 1 ｜高伽 馬 活 動 的潛在來源。 腦 皮 層 中可 記錄 到的一 類 稱 為 高伽 馬 活 動 （ HGA ）的信號，其來源目前尚不明確。 a ，一種假 說認為 ， 電 極（灰色） 記錄 到的 HGA （青色曲 線 ）主要來源于附近神 經(jīng) 元 細 胞 產(chǎn) 生的、稱 為 尖峰（ spikes ，洋 紅 色）的神 經(jīng) 活 動 脈沖之和；其機制是尖峰信息泄漏到了 HGA 所 對應(yīng) 的 頻 率范 圍 內(nèi)。 b ，另一種假 說則 提出， 記錄 到的 HGA 主要反映的是突觸后 電 位（ postsynaptic potentials, PSPs ；黃色）的 總 和。 PSP 是出 現(xiàn) 在神 經(jīng) 元接收 輸 入部位的、更小但持 續(xù)時間 更 長 的 電 位 變 化， 這 些 PSP 由廣泛分布的神 經(jīng) 元網(wǎng) 絡(luò) 所 產(chǎn) 生的尖峰活 動 觸 發(fā) 。

過 去關(guān)于高伽 馬 來源的大部分 證 據(jù)都來自相關(guān)性分析。例如，研究者常常 觀 察到高伽 馬 活 動 與局部尖峰放 電 同步增 強 ，于是推 測 前者來源于后者。但相關(guān)并不等于因果，因此很 難 真正區(qū)分高伽 馬 究竟是局部放 電 的副 產(chǎn) 物， 還 是更廣泛網(wǎng) 絡(luò)輸 入在局部形成的 電 生理 結(jié) 果。 為 了回答 這 個 問題 ，作者 設(shè)計 了一個非常巧妙的 腦 機接口 實驗 ：他 們 在恒河猴（ Macaca mulatta ）的初 級 運 動 皮 層 中，使用同一枚控制 電 極同 時記錄 尖峰活 動 與高伽 馬 活 動 ，并將 這 兩種信號分 別 映射 為 屏幕光 標 在兩個正交方向上的移 動 。也就是 說 ，猴子要想把光 標 移 動 到目 標 位置，就必 須 分 別 調(diào)節(jié) 同一 電 極上 記錄 到的神經(jīng)元放電和高伽馬。如果高伽 馬 主要由附近神 經(jīng) 元尖峰直接生成，那么 這 兩 類 信號 應(yīng) 當(dāng)高度耦合，猴子很 難 將它 們 獨立控制；反之，如果它 們 可以被解耦，就 說 明高伽 馬 并不是局部尖峰的 簡單 反映。

研究 結(jié) 果 顯 示，猴子能 夠 較 快學(xué)會獨立 調(diào)節(jié) 控制 電 極上的尖峰活 動 和高伽 馬 活 動 ，從而 實現(xiàn)對 光 標 二 維 運 動 的分離控制。 這 一 結(jié) 果首先 說 明：高伽 馬 活 動 與同一 電 極附近 記錄 到的局部尖峰并不是不可分的同源信號。 進 一步地，作者不 僅 分析了控制 電 極上的信號， 還記錄 了距離控制 電 極最 遠 5 毫米范 圍 內(nèi)其他神 經(jīng) 元的放 電 活 動 ，并考察 這 些廣泛分布的神 經(jīng) 元尖峰活動與控制 電 極上高伽 馬 活 動 之 間 的關(guān)系。如果 經(jīng) 典假 設(shè) 正確，那么距離 電 極最近的神 經(jīng) 元尖峰 應(yīng) 當(dāng)能 夠 很好 預(yù)測 高伽 馬 活 動 ；但作者 發(fā)現(xiàn) 事 實 并非如此。局部 鄰 近神 經(jīng) 元的尖峰 總 和 對 高伽 馬 活 動 的 預(yù)測 效果有限，反而是更廣泛分布神 經(jīng) 元的同步放 電 模式，與高伽 馬 活 動 表 現(xiàn) 出更 強 的相關(guān)關(guān)系。 換 句 話說 ，高伽 馬 活 動 并不主要反映 “ 電 極旁 邊 那幾個神 經(jīng) 元在放 電 ” ，而更像是在反映一 組 空 間 上更分散、活 動 上更同步的神 經(jīng) 元群體，正在共同影響 這 一局部區(qū)域。

為 了 進 一步確定兩者的 時 序關(guān)系，作者又分析了哪些神 經(jīng) 元 對這 種廣泛同步模式 貢 獻最大，以及它 們 的放 電 與高伽 馬變 化之 間 的 時間 差。 結(jié) 果 發(fā)現(xiàn) ，那些 對 同步群體活 動貢 獻最 強 的神 經(jīng) 元，其尖峰之后會 誘發(fā) 高伽 馬 平均 值 上升，而且 這 種 時間 延 遲 與 經(jīng) 典突觸 傳遞 延 遲 的 時間 尺度一致【3】。 這 意味著，廣泛分布的神 經(jīng) 元先 發(fā) 生同步放 電 ， 這 些放 電 通 過 突觸 連 接 驅(qū)動 目 標 區(qū)域神 經(jīng) 元 產(chǎn) 生局部突觸后 電 位，而大量 PSP 的疊加最 終 形成了 記錄 到的高伽 馬 活 動 。由此，作者提出：皮 層 高伽 馬 活 動 的主要來源是由分布式同步 輸 入 驅(qū)動 的局部 PSP 總 和，而不是局部神 經(jīng) 元 輸 出尖峰的 簡單 高 頻 殘留。

這 一 發(fā)現(xiàn)對 高伽 馬 活 動 的解 釋 具有重要意 義 。 過 去很多研究默 認 把高伽 馬 增 強 視為 局部神 經(jīng) 元放 電 增 強 的替代指 標 ，例如在 語 言任 務(wù) 中，當(dāng)某個皮 層 區(qū)域的高伽 馬 升高 時 ，往往被解 釋為該 區(qū)域正在更 強 烈地 執(zhí) 行某種 計 算和處理；在運 動 研究中，高伽 馬 升高也常被解 讀為該 區(qū)域 輸 出運 動 指令的增 強 。但 這項 研究提示，高伽 馬 增 強 未必表示 該 區(qū)域局部神 經(jīng) 元本身在 “ 更 強 地 發(fā) 出 輸 出 ” ，而也可能意味著來自更廣泛網(wǎng) 絡(luò) 的同步 輸 入正在更 強 烈地 匯 聚到 該 區(qū)域。因此，高伽 馬 活 動 可能不是局部 輸 出的直接 讀 出，而更像是 腦 區(qū)網(wǎng) 絡(luò) 整合和 輸 入 匯 聚的 電 生理 標 志。 這 并不削弱高伽 馬 作 為 研究指 標 的價 值 ，恰恰相反，它 為 高伽 馬 提供了新的解 釋 框架：與其把它看作 “ 誰 在 發(fā) 指令 ” ，不如把它看作 “ 哪里正在接收和整合來自網(wǎng) 絡(luò) 的大量信息 ” 。

對 于 腦 機接口 領(lǐng) 域， 這項 研究同 樣 具有直接啟 發(fā) 意 義 。與 單 神 經(jīng) 元尖峰相比，高伽 馬 活 動 在 長 期 記錄 中通常更加 穩(wěn) 定，也更適合持 續(xù) 解 碼【4】。 過 去 這 一 現(xiàn) 象常被 經(jīng)驗 性地接受，卻缺乏明確機制解 釋 。本文的 結(jié) 果提供了一個自然的答案：如果高伽 馬 依 賴 的是更廣泛分布神 經(jīng) 元的同步 輸 入及其 誘發(fā) 的局部 PSP ，那么它就不會像 單 神 經(jīng) 元尖峰那 樣 ， 過 度依 賴 少數(shù)局部 細 胞或 電 極與 細 胞之 間 的精確幾何關(guān)系，因此在長 時間 記錄過程中更穩(wěn)定。 這 一機制解 釋 了 為 什么高伽 馬 信號在 BMI 中常常表 現(xiàn) 出 較 好的 長 期 穩(wěn) 定性，也提示未來解 碼 算法在利用高伽 馬時 ，可能 應(yīng) 更多從 “ 網(wǎng) 絡(luò)輸 入整合 ” 而非 “ 局部 輸 出代理 ” 這 一角度去建模。

當(dāng)然， 這項 研究的 實驗 主要完成于恒河猴初 級 運 動 皮 層 ，因此其 結(jié)論 是否能 夠 完全推廣到其他皮 層 區(qū)域，如 語 言皮 層 、感 覺 皮 層 或海 馬 旁區(qū)域，仍需要 進 一步 驗證 。不同 腦 區(qū)的 細 胞 結(jié) 構(gòu)、 連 接模式和 輸 入 輸 出 組織 方式可能有所不同，因此高伽 馬 的生成機制也可能存在區(qū)域差異。不 過 ，本文至少在一個關(guān) 鍵層 面上提供了 強 有力 證 據(jù)：高伽 馬 活 動 不能再被 簡單 等同于局部尖峰 輸 出。相反，它更可能是一個介于局部與網(wǎng) 絡(luò) 之 間 的中尺度信號，反映廣泛神 經(jīng) 元同步 輸 入在局部皮 層 中形成的整合 結(jié) 果。

總 的來 說 ，這項工作以腦機接口這一因果操控范式，重新界定了高伽馬活動的生理意義：它主要不是“輸出”的痕跡，而是“輸入被整合”的表現(xiàn)。對于依賴高伽馬開展認知神經(jīng)科學(xué)、系統(tǒng)神經(jīng)科學(xué)和腦機接口研究的學(xué)者而言，這一結(jié)論都具有基礎(chǔ)而深遠的影響。

原文：

https://doi.org/10.1038/s41586-026-10331-y

制版人： 十一

參考文獻

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