研究成果揭示了大脑的信号网络

研究人员在破解大脑复杂的神经电通信系统方面迈出了重要的一步，该系统可能是睡眠障碍和阿尔茨海默病、癫痫和精神分裂症的基础。

复杂的通信网络连接着神经元可以通过成像来识别和研究大脑虽然一个人使用功能休息磁共振成像。普渡大学生物医学工程、电子和计算机工程助理教授刘忠明说，因为大脑的静息状态不受任何特定任务的影响，这种方法提供了一种研究其“内在功能组织”的方法。

他说:“这种现象背后的原理是，当大脑不做任何事情时，并不是完全安静的，而是保持非常活跃，提供多种信号。”

普渡大学的研究人员正在努力解释来自功能性核磁共振成像，监测大脑的血流变化。

“与血液流动相关的数据不同于神经元本身使用的语言，”刘说，他的研究也隶属于普渡综合神经科学研究所。“神经元通过电信号相互交流，这些电信号的传输速度比血液流动的速度快得多。所以我们正在将这些缓慢的血流信号转化为神经元使用的快速信号。”

6月1日，神经科学学会的旗舰期刊《神经科学杂志》(Journal of Neuroscience)上发表了一篇研究论文，详细阐述了新的研究发现。论文作者是博士生文海光和刘海光。

这项工作与人类连接体工程这是一项由美国国立卫生研究院(National Institutes of Health)资助的全国性研究，旨在绘制大脑的神经通路。

为了将功能磁共振成像(fMRI)的血流数据转化为神经元使用的神经电信号，普渡大学的研究人员采用了三种方法来获取大脑数据:皮质电图(electrocorticography)，它使用皮层上的传感器来记录电信号;脑磁图，测量大脑产生的磁场;脑电图，测量电信号在头皮上进行扫描，同时进行功能磁共振成像扫描。

人们认为，神经元通过以相同频率的“振荡”相互交流。虽然各区域之间以明确定义的节律振荡进行交流，但研究人员也在探索一种缺乏明确节律特征的“无标度”交流形式。

“这些没有特征的信号经常被神经科学家丢弃，因为它们被认为是噪音或不重要的东西，”刘说。“我们把这些信号从垃圾桶里拿了出来，发现它们实际上非常重要，因为它们在大脑中几乎所有神经元组中都是同步的。”

与此同时，功能磁共振成像(fMRI)的血流数据显示，大脑网络也使用一种超越这些群体的“全球”交流形式运作，涉及整个大脑。

他说:“我们发现，这些看似无特征无标度的活动往往是全球波动的，而且是全球同步的。”

了解大脑复杂的全球通信网络的工作原理，可以让研究人员研究睡眠障碍和各种疾病(如精神分裂症、自闭症、老年痴呆症和癫痫)背后的机制。

大脑“唤醒”或警觉性波动的变化或中断，可能在许多疾病中起着核心作用。

“这种无标度的活动由于唤醒波动而波动，”刘说。“这些信号在全球所有网络中都是同步的。重要的是，我们现在知道这种全球通信使用的是一种独特的语言，与每个单独网络中使用的特定频率的振荡完全不同。这很重要，因为它有助于将血液流动信号和波动模式转换成神经元用于不同目的的不同语言。这使我们更接近翻译血液流动信号进入神经元信号。我们还没有完全解决这个翻译问题，但我们认为我们已经解决了大部分问题。”

未来的研究将包括调查工作睡眠障碍印第安纳大学医学院的研究人员也将参与其中。

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