腦電波精細(xì)解碼有望實(shí)現(xiàn) 全新角度理解大腦機(jī)制
大腦接受外界信息的刺激，如視聽信號(hào)以物理、化學(xué)形式存在，而神經(jīng)系統(tǒng)只能以神經(jīng)脈沖的形式傳遞信息，因此必須把各種物理、化學(xué)信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)轭l率、節(jié)奏、波長等神經(jīng)脈沖來表示不同的信息，這一過程稱為編碼。就像人們調(diào)節(jié)收音機(jī)的頻率，科學(xué)家目前已在利用一種腦皮層電流描記的方法，精確描記大腦活動(dòng)時(shí)的頻率、波長等神經(jīng)脈沖并對(duì)其進(jìn)行分析，以獲得有關(guān)大腦意識(shí)的更多詳情，幫助人們從一個(gè)全新角度理解大腦的工作機(jī)制。
腦生理學(xué)的三種工具
多年來，神經(jīng)科學(xué)家一直在分析大腦在何時(shí)何地會(huì)活躍。最近，華盛頓大學(xué)醫(yī)學(xué)院研究人員使用了腦皮層電流描記法，這是一種用臨時(shí)放置于大腦皮層表面的電極陣列來監(jiān)測大腦的技術(shù)?！胺治龃竽X功能，通常集中于大腦的哪個(gè)部位、什么時(shí)候產(chǎn)生活躍?！贬t(yī)學(xué)院的埃里克·里奧薩德說，而分析大腦活動(dòng)的頻率、波長為研究腦生理學(xué)提供了除腦電圖(EEG)、功能性核磁共振成像(fMRI)以外的第三種主要手段。
功能性核磁共振成像技術(shù)主要是利用磁振造影來測量神經(jīng)元活動(dòng)所引發(fā)的血液動(dòng)力的改變，在大腦中定位某個(gè)功能區(qū)。腦電圖則是將電極放在頭皮上，許多神經(jīng)元同時(shí)放電就產(chǎn)生了腦電波，經(jīng)腦電圖機(jī)放大后記錄在專門的紙上，得出一定波形、波幅、頻率和位相的曲線即為腦電圖。放電頻率決定了大腦活躍頻率或波長，這是可以用赫茲或秒周期來計(jì)量的。腦電圖對(duì)癲癇診斷價(jià)值最大，用腦電圖監(jiān)控外傷或癲癇病人的意識(shí)，可以幫助確定診斷和分型，對(duì)診斷腦腫瘤或損傷有一定幫助，也可用來研究睡眠。
相比于腦電圖，腦皮層電流描記法能直接記錄來自大腦皮層的腦波數(shù)據(jù)。在臨床上，里奧薩德和其他神經(jīng)外科醫(yī)生用這種方法來鑒別抗癲癇藥物作用源區(qū)，繪制出這些區(qū)域以便通過外科手術(shù)清除病灶。得到病人允許后，他們將電極陣列放在癲癇病人顱骨以下的大腦皮層表面，監(jiān)控大腦活動(dòng)波譜，以找到抗癲癇藥物在大腦中的作用源區(qū)，與傳統(tǒng)的腦電波監(jiān)控手段相比，這種方法獲得的結(jié)果要更加詳細(xì)。
精細(xì)解碼腦電波
利用電極陣列收集大腦活躍性頻率的數(shù)據(jù)，可以獲得更多重要的內(nèi)部觀察資料。里奧薩德既是神經(jīng)外科教授，也是神經(jīng)生物學(xué)與生物醫(yī)學(xué)工程教授。他說：“EEG只能監(jiān)控40赫茲及以下的頻率，但是腦皮層電流描記讓我們能對(duì)500赫茲以下頻率的腦電波活動(dòng)進(jìn)行監(jiān)控，從而能完整地研究大腦活動(dòng)的生理機(jī)制，得到更好的信號(hào)，并能更準(zhǔn)確地定位信號(hào)的來源去向?！?/span>
里奧薩德和同事通過電極陣列來觀察外科麻醉后的意識(shí)減弱和恢復(fù)過程，研究結(jié)果發(fā)表在去年12月出版的美國《國家科學(xué)院院刊》上。他們發(fā)現(xiàn)，每個(gè)頻率都產(chǎn)生了不同的信息，這顯示出不同的神經(jīng)回路會(huì)如何隨著意識(shí)的減弱而變化。
在失去意識(shí)過程中，按某種順序發(fā)生了一系列變化，在恢復(fù)意識(shí)的過程中以相反的順序重復(fù)。某個(gè)頻率區(qū)的活動(dòng)性稱為伽瑪帶，被認(rèn)為是神經(jīng)元與其附近神經(jīng)元之間交流傳輸信息的表現(xiàn)，隨著伽瑪帶頻率的下降或回歸，病人失去或恢復(fù)意識(shí)。
“不管病人麻醉得有多深，某個(gè)大腦網(wǎng)絡(luò)總是以很低的頻率保持活躍性不變，”里奧薩德說，“大腦活躍性頻率高低頻之間有著某種關(guān)聯(lián)，這種關(guān)聯(lián)也不會(huì)變，我們推測這可能與某些記憶回路有關(guān)?！?/span>
在另一篇發(fā)表于2月9日《神經(jīng)科學(xué)雜志》上的研究論文中，里奧薩德和同事證明了，大腦特定區(qū)域的波長可以用來測定該區(qū)域在當(dāng)時(shí)執(zhí)行的功能。他們將一個(gè)電極放在多個(gè)不同的腦區(qū)，包括語言中樞測量腦活性數(shù)據(jù)，集中分析這些數(shù)據(jù)顯示，病人的許多信息可通過腦區(qū)中的活性高頻帶獲得。比如：是否聽到了一個(gè)單詞？是否準(zhǔn)備說出一個(gè)他聽到或看到的單詞？是否正在說一個(gè)他聽到或看到的單詞？
“一直以來，我們把大腦活動(dòng)頻率作為一個(gè)整體，用來研究一個(gè)現(xiàn)象，但我們發(fā)現(xiàn)這些頻率并非毫無差別，而是非常多樣?！崩飱W薩德說，“我們用腦皮層電流描記法分析這些頻率，可解碼更多的體現(xiàn)大腦活動(dòng)和認(rèn)知意向的電流脈沖，因此可更多地從大腦無線電臺(tái)中獲得信息。”