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一項新的研究表明，大腦在深度睡眠和其他神經活動高度協調時期產生的節律性電場，可能會放大和同步沿著最初產生這些電場的相同神經網路的活動。這一發現表明，大腦的電場不僅僅是神經活動的被動副產品，它們可能提供反饋，調節大腦的功能，尤其是在深度睡眠或慢波睡眠期間。儘管類似的想法已經被考慮了幾十年，但這是第一個直接證據表明，大腦皮層產生的電場會改變產生它們的神經元的行為。
“我認為這是一個非常令人興奮的新發現，” 劍橋大學的神經科學家 Ole Paulsen 說，他沒有參與最近的研究。“我們知道微弱的電場會影響大腦活動，但以前沒有人真正測試過的是大腦自身產生的電場是否會影響其自身的活動。”
大腦是由單個神經細胞或神經元組成的複雜網路，它們使用電訊號和化學訊號相互通訊。每次電脈衝或動作電位沿著神經元的分支快速傳遞時，都會有一個微小的電場包圍該細胞。“少數神經元就像互相交談並進行小對話的個體，” 耶魯大學的神經生物學家，並且是 study 的合著者 David McCormick 解釋說，該研究於 7 月 15 日在Neuron上線上發表。“但是當它們全部一致放電時，就像體育比賽中人群的咆哮聲。” 這種“咆哮”是大腦中有組織的神經活動產生的所有微小電場的總和——這就是科學家們在使用腦電圖 (EEG) 時記錄的內容，當他們將電極網放在人的頭皮上時。
“進入這項研究的問題是，” McCormick 說，“大腦中同步活動產生的電場是神經活動的被動結果，還是以某種方式積極參與調節該活動。” 在活體動物的大腦中研究這個問題將是理想的，但會引發倫理困境和實驗困難，因為研究人員需要做的不僅僅是記錄大腦中的電活動——他們需要操縱它。
相反，McCormick 和他的同事建立了一個實驗模型，模擬了活體動物完整大腦中可能發生的情況。首先，研究人員將雪貂視覺皮層的一片腦組織懸浮在人工腦脊液中。活體皮質組織的行為就像雪貂的大腦處於慢波（非快速眼動）睡眠狀態一樣，在此期間，大腦產生遲緩但高度同步的電活動波。該團隊的下一步是找出當腦組織切片受到微弱電場作用時，神經活動會發生什麼。
他們用一個電場包圍皮質樣本，該電場近似於完整雪貂大腦在慢波睡眠期間產生的電場的大小和極性，從而建立了他們正在研究的確切反饋迴路的誇大版本。本質上，他們將腦組織切片包裹在自身的“回聲”中。
當團隊應用這種電場“回聲”時，他們發現它放大了並同步了腦組織切片中的神經活動。該電場沒有造成混亂，而是增加了和諧。“咆哮”聲變得更大更規律。“這有點像你在足球比賽中歡呼，有人透過揚聲器播放人群歡呼的聲音，你也開始對此做出反應，與真實的人群和揚聲器回放一起歡呼，” McCormick 解釋說。“這是一種增強反饋。”
研究人員不僅表明，這種正反饋促進了雪貂腦組織切片中同步的慢波電活動，他們還表明，強度相同但極性相反的電場會擾亂其同步神經活動。換句話說，他們表明他們可以用負反饋打破放大反饋迴路。“在切片自身產生的反饋之上新增正反饋迴路會增加同步性，” Paulsen 解釋說，“但聰明之處在於證明負反饋會降低同步性。對我來說，負反饋實驗在這裡很重要，它真正證明了內源性 [內部產生的] 場正在促進同步性。”
這項新研究面臨一些方法論上的缺陷：首先，實驗室中電極產生的簡單而均勻的電場並不能完美地模擬活體大腦產生的電場的複雜性。其次，實驗模型依賴於極其薄的神經組織切片——與完整的大腦幾乎不同。Paulsen 說，這些缺陷不太可能改變該研究的總體結論，因為實驗室模型和活體生物之間電活動的潛在機制仍然足夠一致。
由於大腦在高度同步的神經活動期間（如慢波睡眠）產生特別大的電場，研究人員懷疑他們發現的反饋迴路可以協調深度睡眠的這些階段——這些階段被認為可以增強記憶力鞏固。“在慢波睡眠期間，你所有的神經元都有序地行進。整個皮層都參與了這項活動，電場反饋可能有助於保持神經元的同步，” McCormick 說。“我認為這真的會改變人們看待大腦電場的方式。”
然而，目前研究人員只能推測這種反饋迴路在日常大腦功能中的確切作用，紐約州立大學下城醫療中心的生理學家 Joseph Francis 說，他曾在老鼠的海馬體中研究過類似的反饋。“最初，當我在做論文工作時，我想知道的是大腦的一部分是否可以在沒有物理接觸的情況下與另一部分互動，” Francis 解釋說。“這項新研究表明，電場有可能在沒有直接接觸的情況下對神經活動本身產生影響。但現在我們需要確定這與正常功能有多大關係。”