神经振荡

神经振荡（Neural Oscillations）是指大脑中神经元群体活动产生的节律性或重复性的电位波动模式。它是中枢神经系统信息处理的基本特征之一，反映了大规模神经元集群在时间和空间上的同步化与协同活动。神经振荡可在不同空间尺度（从单个神经元、局部场电位到头皮脑电图）和频率范围（从慢速的δ波到快速的γ波）上被记录到，并与认知功能、行为状态、感觉处理及疾病病理密切相关。

1. 主要频段与特征

神经振荡根据其频率（Hz， 周期/秒）被划分为不同频段，每个频段通常与特定的行为和认知状态相关：

2. 产生机制

神经振荡的产生源于神经元群体内部兴奋与抑制的精细平衡和相互作用：

• 兴奋-抑制环路的反馈：抑制性中间神经元（特别是表达小白蛋白的快速放电篮状细胞）在产生和维持γ振荡中起核心作用。它们对锥体神经元的强反馈抑制，创造了有节律的放电时间窗口。

• 离子通道的固有属性：某些神经元具有起搏器特性，能自发产生节律性放电（如丘脑网状核神经元产生睡眠纺锤波）。

• 突触相互作用：通过化学突触和电突触（间隙连接）的耦合同步。

• 网络共振：特定网络结构对特定频率输入产生最大响应。

• 丘脑皮层环路：在调节睡眠-觉醒节律和感觉门控中起关键作用。

3. 功能意义

神经振荡为大脑信息处理提供了时间框架和通信渠道：

• 时间编码与通信：通过神经元的放电与特定振荡相位（锁相）相关联，不同脑区间的振荡同步（相干性）可实现有效的长程通信和信息整合。

• 特征绑定（Binding Problem）：γ振荡被认为能将分别处理物体不同特征（如颜色、形状）的神经元群体在时间上同步，从而实现知觉的统一。

• 注意选择：增强对被注意刺激的神经反应与γ振荡的增强及α振荡的抑制有关。

• 记忆过程：海马θ振荡为空间记忆和工作记忆提供时间框架；海马与皮层间的θ-γ耦合被认为是信息传递和记忆巩固的重要机制。

• 运动控制：感觉运动皮层的β振荡与运动准备和维持有关；运动执行时β振荡功率下降（事件相关去同步）。

• 睡眠与意识：不同睡眠阶段由特征性的振荡模式（δ波， 睡眠纺锤波， θ波）定义，与记忆巩固和大脑代谢废物清除相关。

4. 研究方法

• 电生理记录：

  • 脑电图：头皮记录，反映全脑大尺度振荡。

  • 脑磁图：记录磁场，空间分辨率优于EEG。

  • 皮层电图：颅内电极记录，提供高信噪比和精确空间定位。

  • 局部场电位：在脑组织内记录，反映局部神经元群体的突触后电位总和。

• 信号分析：

  • 频谱分析：将信号分解为不同频率成分（功率谱密度）。

  • 时频分析：追踪振荡功率随时间的变化（如小波变换）。

  • 相位-振幅耦合：分析低频振荡相位对高频振荡振幅的调节。

  • 相干性分析：量化不同脑区振荡在频率和相位上的同步性。

5. 病理关联

神经振荡的异常是多种神经系统疾病的标志：

• 癫痫：

  • 发作间期：可能出现局灶性慢波、棘慢复合波。

  • 发作期：表现为高频、高幅度的病理性振荡（如发作性快节律）的突然同步化爆发和传播。

• 精神分裂症：患者常表现出γ振荡和θ振荡的功率或同步性降低，尤其在前额叶皮层，与工作记忆和认知控制缺陷相关。听觉稳态反应（ASSR， 一种γ波驱动反应）减弱是可靠的生物标志物。

• 阿尔茨海默病：早期即出现后部α节律的减慢和功率降低。慢波活动（δ/θ）增加可能与认知衰退相关。

• 帕金森病：基底神经节-皮层环路出现异常的β振荡（~20 Hz）过度同步化，与运动迟缓和强直相关；有效的深部脑刺激可能通过破坏这种异常β振荡起效。

• 注意缺陷多动障碍：表现为θ波功率增高、β波功率降低，θ/β比值升高，可能与注意调控障碍有关。

• 抑郁与焦虑障碍：涉及前额叶-边缘系统环路振荡活动的异常。

• 意识障碍：振荡活动的复杂性和大脑网络间的信息交换显著降低。

6. 治疗与调控

• 神经调控治疗：

  • 经颅交流电刺激：施加与特定脑振荡频率相同的外源性微弱交流电，以增强或调节内源性振荡。

  • 经颅磁刺激：可通过调节皮层兴奋性影响振荡活动。

  • 脑深部电刺激：直接干预异常振荡的神经网络节点（如帕金森病的丘脑底核）。

• 神经反馈：训练患者有意识地调节自身的特定脑电节律（如增强SMR波以改善注意力）。

• 药理学：许多精神药物（如苯二氮䓬类、抗精神病药）通过影响GABA能或谷氨酸能传递，改变神经振荡特性。

关键词

• 神经振荡 Neural Oscillations

• 脑电图 Electroencephalography (EEG)

• γ振荡 Gamma Oscillations

• 相位同步 Phase Synchronization

• 兴奋-抑制平衡 Excitation-Inhibition Balance

• 癫痫 Epilepsy

• 精神分裂症 Schizophrenia

参考文献

1. Buzsáki, G. (2006). Rhythms of the Brain. Oxford University Press.（该领域的权威专著）

2. Fries, P. (2005). A mechanism for cognitive dynamics: neuronal communication through neuronal coherence. Trends in Cognitive Sciences, *9*(10), 474–480.（关于振荡与通信的经典理论）

3. Uhlhaas, P. J., & Singer, W. (2010). Abnormal neural oscillations and synchrony in schizophrenia. Nature Reviews Neuroscience, *11*(2), 100–113.

4. Engel, A. K., Fries, P., & Singer, W. (2001). Dynamic predictions: oscillations and synchrony in top–down processing. Nature Reviews Neuroscience, *2*(10), 704–716.

5. Brown, P. (2007). Abnormal oscillatory synchronisation in the motor system leads to impaired movement. Current Opinion in Neurobiology, *17*(6), 656–664.（聚焦运动障碍）

6. Lopes da Silva, F. (2013). EEG and MEG: relevance to neuroscience. Neuron, *80*(5), 1112–1128.