Nature重磅：大腦高頻伽馬活動(dòng)的真正來源是什么？腦機(jī)接口研究給出新答案

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基本信息

Title:Active dissociation of intracortical spiking and high gamma activity

發(fā)表時(shí)間:2026-4-1

發(fā)表期刊:Nature

影響因子:48.5

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研究背景

在認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)和腦機(jī)接口（BMI）領(lǐng)域，皮層高頻伽馬活動(dòng)（High gamma-band activity, HGA，通常指局部場電位中 70–300 Hz 的頻段）是一個(gè)極其重要且信息量豐富的介觀神經(jīng)信號(hào)。它被廣泛用于研究感覺處理、運(yùn)動(dòng)控制、注意力、語言甚至情緒。然而，關(guān)于HGA 的生物物理來源，學(xué)術(shù)界長期存在爭議。

目前主要有兩種假說：第一種認(rèn)為，HGA 主要是電極附近神經(jīng)元?jiǎng)幼麟娢唬⊿pikes，即局部放電）通過容積傳導(dǎo)產(chǎn)生的“頻譜泄漏”；第二種則認(rèn)為，HGA 主要代表了神經(jīng)元群體的突觸后電位（PSPs）的空間總和。如果第一種假說成立，那么離電極最近的神經(jīng)元應(yīng)該對該電極記錄到的 HGA 貢獻(xiàn)最大。

以往的研究多依賴于相關(guān)性分析或計(jì)算建模，難以給出因果性的結(jié)論。為了打破這一僵局，西北大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一項(xiàng)巧妙的實(shí)驗(yàn)：他們訓(xùn)練獼猴使用一種正交神經(jīng)反饋（ONF）腦機(jī)接口，要求獼猴在同一個(gè)記錄電極上，將局部放電與 HGA 信號(hào)“解耦”。這項(xiàng)研究不僅直接測試了 HGA 的來源假說，也為我們理解大腦介觀信號(hào)的生成機(jī)制提供了全新的視角。

研究核心總結(jié)

為了驗(yàn)證局部放電是否是 HGA 的主要來源，研究者需要觀察這兩者是否可以被獨(dú)立控制。如果 HGA 僅僅是局部放電的泄漏，那么獼猴將無法在不改變放電率的情況下單獨(dú)提升 HGA。

一、 獼猴能夠在單電極上實(shí)現(xiàn)局部放電與 HGA 的主動(dòng)解耦

研究者讓獼猴執(zhí)行一項(xiàng)二維中心向外伸手運(yùn)動(dòng)（reaching）任務(wù)。在這個(gè)正交神經(jīng)反饋任務(wù)中，光標(biāo)的 X 軸和 Y 軸速度分別由同一個(gè)控制電極（CE）上的局部放電率和 HGA 獨(dú)立控制。結(jié)果顯示，獼猴在最初的幾個(gè)訓(xùn)練階段內(nèi)就迅速掌握了這項(xiàng)任務(wù)，能夠熟練地驅(qū)動(dòng)光標(biāo)到達(dá)僅需要增加放電率（Spike target）或僅需要增加 HGA（HG target）的單軸目標(biāo)。

在單次試驗(yàn)的精細(xì)時(shí)間尺度上，這兩種信號(hào)表現(xiàn)出了驚人的獨(dú)立性。在向 Spike 目標(biāo)移動(dòng)時(shí)，電極上的放電率顯著上升而 HGA 保持不變；反之，在向 HG 目標(biāo)移動(dòng)時(shí)，HGA 顯著上升而局部放電率甚至出現(xiàn)下降。這種在同一根電極上實(shí)現(xiàn)的高效解耦直接表明，HGA 不太可能僅僅是局部神經(jīng)元放電的簡單疊加或泄漏。

Fig 1. 兩種 HGA 來源假說的示意圖，以及用于測試解耦能力的二維正交神經(jīng)反饋腦機(jī)接口任務(wù)設(shè)計(jì)。

Fig 2. 獼猴在正交神經(jīng)反饋任務(wù)中的表現(xiàn)。隨著訓(xùn)練進(jìn)行，光標(biāo)軌跡迅速變直，成功率上升且到達(dá)時(shí)間縮短，證明獼猴能快速學(xué)會(huì)獨(dú)立調(diào)節(jié)這兩種信號(hào)。

Fig 3. 局部放電與 HGA 的獨(dú)立調(diào)制證據(jù)。在腦機(jī)接口控制期間，同一電極上的放電率與 HGA 之間的相關(guān)性降至接近于零，與手動(dòng)控制期間的適度相關(guān)形成鮮明對比。

既然 HGA 不是局部放電的產(chǎn)物，那它究竟代表了什么？研究者進(jìn)一步分析了控制電極上的 HGA 與整個(gè)微電極陣列（覆蓋數(shù)毫米皮層）上其他神經(jīng)元活動(dòng)的關(guān)系。

如果 HGA 是泄漏產(chǎn)生的，那么在 HGA 升高時(shí)，控制電極周圍的鄰近電極應(yīng)該表現(xiàn)出更高的放電率。然而數(shù)據(jù)表明，HGA 的升高伴隨著整個(gè)陣列上廣泛分布的神經(jīng)元放電率的增加，并沒有表現(xiàn)出對鄰近電極的偏好。研究者計(jì)算了基于距離加權(quán)的局部放電總和（DWSS），發(fā)現(xiàn)它與 HGA 的相關(guān)性極低。

相反，通過因子分析提取出的代表整個(gè)網(wǎng)絡(luò)同步活動(dòng)的低維“共放電（co-firing）”模式，與控制電極上的 HGA 表現(xiàn)出高度相關(guān)。這意味著，HGA 實(shí)際上是更宏觀的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)同步狀態(tài)的局部反映。

Fig 4. HGA 與群體共放電的緊密聯(lián)系?？刂齐姌O的 HGA 與距離加權(quán)的局部放電總和相關(guān)性很低，但與跨越整個(gè)微電極陣列的低維同步共放電模式高度相關(guān)。

為了徹底鎖定 HGA 的物理機(jī)制，研究者計(jì)算了以其他電極上的動(dòng)作電位為觸發(fā)條件的控制電極 HGA 平均值（Spike-triggered average HGA）。

結(jié)果揭示了一個(gè)關(guān)鍵的時(shí)間差：控制電極上的 HGA 峰值平均出現(xiàn)在其他電極神經(jīng)元放電后的 12.5 毫秒左右。這個(gè)時(shí)間延遲完美契合了突觸前動(dòng)作電位到達(dá)并引發(fā)突觸后電位（PSP）所需的生理時(shí)間。更重要的是，那些對網(wǎng)絡(luò)“共放電”模式貢獻(xiàn)最大的神經(jīng)元（即權(quán)重最高的電極），其放電引發(fā)的 HGA 峰值也最高。

這一結(jié)果將空間分布與時(shí)間機(jī)制統(tǒng)一了起來：廣泛分布的神經(jīng)元群體發(fā)生同步放電，這些信號(hào)傳遞到控制電極附近的樹突和胞體，引發(fā)了同步的突觸后電位，這些 PSPs 的空間總和最終被我們記錄為 HGA。

Fig 5. 動(dòng)作電位觸發(fā)的 HGA 平均分析。對共放電模式貢獻(xiàn)最大的廣泛分布的神經(jīng)元，其放電不僅在時(shí)間上穩(wěn)定領(lǐng)先于 HGA 峰值，且引發(fā)的 HGA 振幅也最大，為突觸后電位假說提供了直接的機(jī)制證據(jù)。

研究意義

這項(xiàng)研究通過精巧的腦機(jī)接口因果干預(yù)范式，為長期以來的 HGA 來源之爭提供了迄今為止最清晰的答案。它調(diào)和了過去看似矛盾的發(fā)現(xiàn)：HGA 之所以經(jīng)常與大范圍的平均放電率相關(guān)，是因?yàn)樗鼈兌际艿较嗤牡讓油挥|事件驅(qū)動(dòng)；而 HGA 之所以與單個(gè)局部神經(jīng)元的放電相關(guān)性低，是因?yàn)樗举|(zhì)上是對廣泛網(wǎng)絡(luò)同步輸入的整合（PSPs），而非局部輸出（Spikes）的直接記錄。

從方法學(xué)和應(yīng)用角度來看，這一發(fā)現(xiàn)解釋了為什么 HGA 在腦機(jī)接口中是一種極其穩(wěn)定且壽命長久的控制信號(hào)。因?yàn)樗鼌R聚了廣泛分布的神經(jīng)元輸入，降低了對單個(gè)神經(jīng)元放電變異性的敏感度。同時(shí)，這也提醒研究者在進(jìn)行認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)研究時(shí)，應(yīng)將 HGA 視為介觀尺度上神經(jīng)元群體同步計(jì)算的標(biāo)志，而不是簡單地將其等同于電極尖端幾個(gè)神經(jīng)元的活躍程度。

分享人：飯鴿兒

審核：PsyBrain 腦心前沿編輯部

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