大脑的贝塔节奏爆发驱动认知控制

科学家们利用实验数据、数学模型和理论，证明β节律的爆发通过调节较高伽马频率波在何时何地协调神经元吸收来自感官的新信息或制定行动计划来控制大脑中的认知。 他们认为，贝塔爆发可以快速建立灵活但受控的神经活动模式，以实现有意的思维。

“认知取决于组织目标导向的思维，所以如果你想理解认知，你就必须理解那个组织，”合著者说 厄尔·K·米勒麻省理工学院皮考尔学习与记忆研究所及脑与认知科学系皮考尔教授。 “贝塔是可以在正确的空间尺度上控制神经元以产生有组织的思维的频率范围。”

米勒及其同事卡罗林斯卡医学院的米凯尔·伦德奎斯特 (Mikael Lundqvist)、乔纳坦·诺德马克 (Jonatan Nordmark) 和约翰·利杰福斯 (Johan Liljefors) 以及瑞典皇家理工学院的帕维尔·赫尔曼 (Pawel Herman) 写道，研究β节律的爆发以了解它们是如何出现的以及它们代表什么，不仅有助于解释认知，还有助于诊断和治疗认知障碍。

“鉴于β振荡在认知中的相关性，我们预计生物标志物识别实践将发生重大变化，特别是考虑到β爆发在抑制控制过程中的突出地位……及其在多动症、精神分裂症和阿尔茨海默病中的重要性，”他们在《认知科学趋势杂志。

测试版数据

作者写道，涵盖人类在内的多个物种、各种大脑区域和众多认知任务的实验研究揭示了皮质中β波的关键特征：β节律以快速但强大的爆发形式发生； 它们抑制高频伽马节律的力量； 尽管它们起源于更深的大脑区域，但它们在皮层的特定位置内传播。 综合考虑这些特性，作者写道，它们都与伽马节律活动在空间和时间上的精确和灵活的调节一致，实验表明伽马节律活动携带感觉信息和运动计划的信号。

作者写道：“因此，β 爆发为研究如何选择性地处理感觉输入、通过抑制性认知操作重塑并最终导致运动动作提供了新的机会。”

在去年的一篇论文中，伦德维斯特、赫尔曼、米勒和其他人引用了几行实验证据来假设贝塔爆发实现了认知控制 大脑中的空间本质上是限制皮层的补丁来代表任务的一般规则，即使这些补丁中的单个神经元代表信息的特定内容。 例如，如果工作记忆任务是记住挂锁组合，则 beta 节律将为“向左转”、“向右转”、“再次向左转”的一般步骤实现皮层补丁，从而允许 gamma 启用每个区域内的神经元。补丁来存储并稍后调用该组合的具体数字。 他们指出，这种组织原则的双重价值在于，大脑可以一次快速地将任务规则应用于许多神经元，并且如果个体数量发生变化，则无需重新建立任务的整体结构（即您设置了一个新组合）。

作者写道，β爆发的另一个重要现象是它们在大脑中长距离传播，跨越多个区域。 研究它们空间旅行的方向以及时间，可以进一步阐明认知控制是如何实施的。

新想法产生新问题

β 节律爆发不仅在频率上有所不同，而且在持续时间、幅度、起源和其他特征上也有所不同。 作者写道，这种多样性说明了它们的多功能性，但也迫使神经科学家研究和理解这种现象的许多不同形式及其代表的含义，以从这些神经信号中利用更多信息。

“它很快就会变得非常复杂，但我认为β爆发最重要的方面是非常简单和基本的前提，即它们揭示了与认知相关的振荡和神经过程的瞬态性质，”伦德维斯特说。“这改变了我们的模型长期以来，我们隐含或明确地假设振荡正在发生，这给实验和分析带来了色彩，现在我们看到了基于这种新思维、新假设和数据分析方法的第一波研究。 ，而且这种情况应该会在未来几年内有所回升。”

作者承认另一个必须通过进一步研究解决的主要问题——β爆发最初是如何出现的，以在认知控制中发挥其明显的作用？

作者写道：“尚不清楚β爆发是如何作为级联到大脑其他区域的执行命令的中介而出现的。”

作者并不声称拥有所有答案。 相反，他们写道，因为β节律似乎在控制认知方面发挥着不可或缺的作用，因此尚未解答的问题值得提出。

他们总结道：“我们认为，β 爆发为实验和计算研究提供了一个探索认知功能的实时组织和执行的窗口。” “为了充分利用这一潜力，需要用新的实验范式、分析方法和建模方法来解决悬而未决的问题。”