大腦如同精密的GPS系統(tǒng)，持續(xù)構(gòu)建外部世界的神經(jīng)地圖，而這一過(guò)程往往在無(wú)意識(shí)中進(jìn)行。神經(jīng)元作為思考、行動(dòng)、記憶與感知的基礎(chǔ)單元，通過(guò)傳遞微小電信號(hào)實(shí)現(xiàn)信息交互。這些信號(hào)遵循特定的節(jié)律模式（即腦波），如低頻的 Theta 波和高頻的 Gamma 波，它們共同協(xié)調(diào)大腦的信息處理流程。
解析單個(gè)神經(jīng)元對(duì)腦波節(jié)律的響應(yīng)機(jī)制，是揭示大腦實(shí)時(shí)空間導(dǎo)航功能的核心，也為理解神經(jīng)元在不同生理狀態(tài)下的動(dòng)態(tài)變化提供了關(guān)鍵線索。
Florida Atlantic大學(xué)與 Erasmus 醫(yī)學(xué)中心以及Amsterdam大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，海馬體神經(jīng)元具備處理、編碼及響應(yīng)多種腦波信息的卓越能力。
該研究發(fā)表于《PLOS Computational Biology》，證實(shí)單個(gè)神經(jīng)元可基于自身離子通道特性及腦內(nèi)電活動(dòng)狀態(tài)，在單個(gè)動(dòng)作電位與爆發(fā)式放電模式間切換 —— 研究團(tuán)隊(duì)將這一現(xiàn)象命名為 “交錯(cuò)共振”（Interleaved Resonance）。
這一發(fā)現(xiàn)為解析大腦整合導(dǎo)航、記憶及行為相關(guān)信息的機(jī)制提供了全新視角，尤其對(duì)與空間記憶、學(xué)習(xí)能力相關(guān)的神經(jīng)疾病研究具有重要啟示。
研究聚焦于海馬體 CA1 區(qū)錐體神經(jīng)元 —— 這類細(xì)胞是記憶編碼與空間導(dǎo)航的核心神經(jīng)單元 ，其功能機(jī)制的解析有助于闡明生物體對(duì)空間位置的識(shí)別及路徑規(guī)劃能力。這些神經(jīng)元通過(guò)電信號(hào)發(fā)放實(shí)現(xiàn)信息傳遞，放電模式包括單個(gè)動(dòng)作電位與爆發(fā)式放電兩種類型。每種模式承載不同信息編碼，且與特定行為場(chǎng)景相關(guān)聯(lián)。然而，此前學(xué)界對(duì)神經(jīng)元模式切換的調(diào)控機(jī)制仍缺乏清晰認(rèn)知。
研究團(tuán)隊(duì)借助計(jì)算建模與基因編碼電壓指示劑（GEVI）成像技術(shù)證實(shí)，神經(jīng)元可同時(shí)響應(yīng) Theta（低頻）與 Gamma（高頻）腦波輸入，但響應(yīng)模式存在差異：通過(guò)爆發(fā)式放電與 Theta 波共振，同時(shí)以單個(gè)動(dòng)作電位與 Gamma 波共振，形成 “同一電信號(hào)中嵌套雙重共振模式” 的編碼特性。
圖片鏈接：https://www.eurekalert.org/multimedia/1077911
圖片信息：Rodrigo Pena 博士，資深作者，F(xiàn)AU Charles E. Schmidt 科學(xué)學(xué)院生物科學(xué)助理教授，F(xiàn)AU Stiles-Nicholson 腦研究所成員。
“我們的模型表明，單個(gè)神經(jīng)元如同多波段收音機(jī)，可精準(zhǔn)調(diào)諧至不同頻率腦波并動(dòng)態(tài)調(diào)整放電模式，” 研究資深作者、FAU 生物科學(xué)助理教授 Rodrigo Pena,博士指出，“其靈活性與功能多樣性遠(yuǎn)超此前認(rèn)知。”
研究表明，神經(jīng)元的這種動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性受內(nèi)部離子電導(dǎo)調(diào)控，尤其是三種關(guān)鍵電流：持續(xù)鈉電流、延遲整流鉀電流和超極化激活電流。通過(guò)調(diào)節(jié)這三種電流的強(qiáng)度，神經(jīng)元可在 Theta 與 Gamma 節(jié)律之間切換共振偏好，并在爆發(fā)式放電與單個(gè)動(dòng)作電位模式間轉(zhuǎn)換。此外，神經(jīng)元在長(zhǎng)時(shí)靜默期后更易產(chǎn)生爆發(fā)式放電，體現(xiàn)了信息編碼的時(shí)間依賴性特征。
“這種‘交錯(cuò)共振’機(jī)制為理解大腦高效信息處理網(wǎng)絡(luò)提供了全新范式，” Pena強(qiáng)調(diào)，“尤其對(duì)腦波節(jié)律紊亂相關(guān)疾病具有重要參考價(jià)值。若神經(jīng)元放電異?；驘o(wú)法在單個(gè)動(dòng)作電位與爆發(fā)式放電間正常切換，可能導(dǎo)致記憶編碼障礙或注意力缺陷。而解析神經(jīng)元對(duì)不同腦波的適應(yīng)性機(jī)制，將為神經(jīng)功能修復(fù)提供潛在靶點(diǎn)。”
該發(fā)現(xiàn)同時(shí)解答了神經(jīng)科學(xué)領(lǐng)域的重要問(wèn)題，如海馬體空間記憶的編碼機(jī)制，進(jìn)一步印證了大腦的高度復(fù)雜性與環(huán)境適應(yīng)性。早期研究已證實(shí)，Theta 與 Gamma 節(jié)律調(diào)控動(dòng)物空間移動(dòng)時(shí)的神經(jīng)元放電時(shí)序；而本研究首次發(fā)現(xiàn)，神經(jīng)元可基于外部輸入與內(nèi)部電生理狀態(tài)動(dòng)態(tài)切換放電模式，即單個(gè)神經(jīng)元可在不同情境下傳遞多層信息編碼，而非局限于單一信號(hào)模式。
“大腦的基本功能單元遠(yuǎn)比我們想象的更具動(dòng)態(tài)性，”Pena總結(jié)道。“單個(gè)神經(jīng)元可同時(shí)耦合不同頻率腦波，實(shí)時(shí)調(diào)整放電模式以適應(yīng)環(huán)境需求。這一發(fā)現(xiàn)不僅深化了我們對(duì)腦功能的認(rèn)知，更為未來(lái)神經(jīng)活動(dòng)異常疾病的干預(yù)治療提供了創(chuàng)新性思路。”
雜志：PLOS Computational Biology
DOI：10.1371/journal.pcbi.1013126
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