本文發表於《大眾科學》的前部落格網路，反映了作者的觀點，不一定反映《大眾科學》的觀點
想想當你走路時會發生什麼。認真地思考一下。走路需要什麼？嗯，你的腳和腿必須移動（遠比看起來複雜得多），這意味著你的肌肉必須移動，這意味著你的神經必須控制你的肌肉，這意味著你的大腦必須首先發送訊號。所有這一切都基於進一步的資訊，瞭解你在空間中的位置和你要去哪裡，你需要多快到達那裡。然後還有更多！你怎麼知道你在哪裡？你怎麼知道你走得多快？你怎麼知道你朝哪個方向前進？而這一切的背後是成千上萬甚至數百萬的神經元同時或分別放電。而這一切的基礎是成千上萬的生化過程，這些過程使得神經元能夠放電……
……現在把走路的速度變成跑。
使得你每天早上走進工作場所所需的神經生物學過程的數量以及需要發生的事情的數量，足以讓神經科學家們驚歎駐足。
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今天，我們將討論一篇論文，該論文可能已經研究出了大腦如何處理速度增加等問題的一小部分。你的大腦如何跟上你的腳步？
透過跑得稍微快一點。
Ahmed 和 Mehta。“跑步速度改變海馬體伽馬振盪的頻率”《神經科學雜誌》，2012年。
要理解這是如何運作的。我們需要討論兩個主要的事情：位置神經元和振盪網路。
位置神經元正如其名稱所示。在海馬體中，某些細胞會對特定的位置放電。當你使用電極陣列記錄大鼠大腦中的細胞放電時，你實際上可以看見和聽見神經元在大鼠環顧它以前去過的地方時放電（這絕對是一位年輕神經科學家激動人心和具有決定性意義的時刻之一）。某些神經元會對，比如說，左角放電，而另一些神經元會對右下角放電。
但接下來我們就要談到振盪。你看，一個神經元不是單獨放電的。它會與大量附近的神經元重複放電，反過來觸發其他神經元放電，從而形成一個神經元放電網路。這些網路以特定的頻率和模式放電，我們用頻率來描述它們，並用 theta、gamma 和 beta 等名稱命名。
問題是，當您移動時，位置細胞放電和神經振盪等事物如何變化？這項研究的作者想要了解位置細胞放電如何隨著動物速度的變化而變化。為了做到這一點，他們將電極陣列連線到大鼠的海馬體中，並觀察它們的位置細胞在跑迷宮時的振盪。他們設定了一個漂亮的大的 Y 型迷宮，所有末端都有獎勵，讓動物以它們想要的速度跑。他們觀察海馬體中的活動如何隨著速度的變化而變化。
您在這裡可以看到的是位置神經元的伽馬振盪功率與動物跑迷宮的速度之間的相關性。這不是振盪頻率的增加，因為那樣只會將其向上移動到刻度上，並且它將不再是伽馬振盪。相反，它是功率的增加，更多神經元同步放電。他們發現，隨著速度的增加，伽馬振盪的功率也強烈相關地增加。
但這僅僅是動物速度的函式嗎？還是更快地識別迷宮中不同點的函式？為了弄清楚這一點，他們只是將動物放在一個不同的迷宮中。結果仍然相同，大鼠的速度與海馬體中的伽馬振盪功率之間存在相關性。所以這不僅僅是知道你在哪裡的結果。當你跑得快時，你大腦中的伽馬振盪變得更強大，所以你的大腦也“運轉得更快”。
但這意味著什麼？是什麼導致了伽馬振盪的增加？嗯，伽馬振盪功率的增加必須由某種東西觸發。在這種情況下，作者假設到海馬體中間神經元的興奮性輸入（其為位置細胞提供抑制性輸入）可能決定了功率的增加。當他們記錄中間神經元以及位置細胞的活動時，作者發現中間神經元的放電率與伽馬功率的增加相關。這表明，增加的興奮性輸入刺激了中間神經元以增加抑制性輸入，因為大鼠跑得更快，這可能會增加同步性，並可能驅動伽馬振盪中功率的增加。
因此，跑步速度導致海馬體中間神經元的興奮性驅動升高，從而導致伽馬範圍內的神經振盪增加。所以基本上，更高的興奮性驅動意味著更有可能更多的神經元以特定的頻率同步放電。跑步速度提高了某些神經元的放電率，從而增加了其他神經元的振盪。因此，跑步速度最終與伽馬振盪功率相關聯。
但是，伽馬振盪增加的目的是什麼？由於這些發生在海馬體中，它們很可能與學習和記憶有關。正如我上面提到的，海馬體中的神經元編碼諸如位置之類的資訊，它們會對你在某個區域的位置做出反應而放電。當它們同步放電時，它們會在伽馬範圍內放電，從而產生這些伽馬振盪（它們也會在 theta 範圍內放電，但那是另一回事了）。
這是一個需要思考的重要事情。因為，如果你跑得更快，你也必須更快地確定你在哪裡！這意味著你需要更快地處理你的空間資訊。你如何做到這一點？嗯，作者提出了兩種選擇。首先，您可以省略空間識別處理的某些部分，跳過某些元素，以便您只獲得最基本的資訊。但您也可以……更快地執行整個空間處理序列。作者假設第二個選項可能是正確的。與速度相關的增加的伽馬振盪是動物如何跟上自己的腳步的，隨著它跑得更快，更快地處理空間知識。更快的轉換可能使海馬體細胞能夠編碼位置，無論你跑得多快。
當然，這並不是最終的結論。這篇論文表明，增加到海馬體中間神經元的興奮性輸入會增加伽馬振盪，並且這會隨著你跑步的速度而變化……但是，興奮性輸入本身來自哪裡？來自視覺系統？前庭系統？兩者都有？雖然這為拼圖提供了一個很酷且有趣的部分，但在瞭解我們如何走路和跑步方面，總是有另一個步驟。正是這樣的謎題讓神經科學家們駐足思考。
注意：我在推特上看到一些東西，讓我覺得人們認為在移動速度更快時伽馬振盪增加意味著你“思考得更好”或“更快”。那不是真的。這裡伽馬振盪功率的增加基本上是為了跟上你走得更快時的感覺處理，而不是讓你在越野跑時突然產生聰明的想法。然而，有一些證據表明運動可以改善其他領域的認知。只是……不是在這篇論文中。
注意 2： 正如評論員 Horrible Clarity 指出的那樣，我在談論抑制性中間神經元時犯了一個錯誤。海馬體中的中間神經元是 GABA 神經元，因此傾向於抑制它們影響的細胞。到中間神經元的興奮性輸入會驅動抑制性輸入的增加，在這種情況下可能會增加同步放電。
Ahmed OJ, & Mehta MR (2012)。跑步速度改變海馬體伽馬振盪的頻率。《神經科學雜誌》：神經科學學會的官方期刊，32 (21), 7373-83 PMID: 22623683