Nature重磅：大腦高頻伽馬活動的真正來源是什么？腦機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

發表時間:2026-4-1

發表期刊:Nature

影響因子:48.5

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研究背景

在認知神經科學和腦機接口（BMI）領域，皮層高頻伽馬活動（High gamma-band activity, HGA，通常指局部場電位中 70–300 Hz 的頻段）是一個極其重要且信息量豐富的介觀神經信號。它被廣泛用于研究感覺處理、運動控制、注意力、語言甚至情緒。然而，關于HGA 的生物物理來源，學術界長期存在爭議。

目前主要有兩種假說：第一種認為，HGA 主要是電極附近神經元動作電位（Spikes，即局部放電）通過容積傳導產生的“頻譜泄漏”；第二種則認為，HGA 主要代表了神經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元應該對該電極記錄到的 HGA 貢獻最大。

以往的研究多依賴于相關性分析或計算建模，難以給出因果性的結論。為了打破這一僵局，西北大學的研究團隊設計了一項巧妙的實驗：他們訓練獼猴使用一種正交神經反饋（ONF）腦機接口，要求獼猴在同一個記錄電極上，將局部放電與 HGA 信號“解耦”。這項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的生成機制提供了全新的視角。

研究核心總結

為了驗證局部放電是否是 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提升 HGA。

一、 獼猴能夠在單電極上實現局部放電與 HGA 的主動解耦

研究者讓獼猴執行一項二維中心向外伸手運動（reaching）任務。在這個正交神經反饋任務中，光標的 X 軸和 Y 軸速度分別由同一個控制電極（CE）上的局部放電率和 HGA 獨立控制。結果顯示，獼猴在最初的幾個訓練階段內就迅速掌握了這項任務，能夠熟練地驅動光標到達僅需要增加放電率（Spike target）或僅需要增加 HGA（HG target）的單軸目標。

在單次試驗的精細時間尺度上，這兩種信號表現出了驚人的獨立性。在向 Spike 目標移動時，電極上的放電率顯著上升而 HGA 保持不變；反之，在向 HG 目標移動時，HGA 顯著上升而局部放電率甚至出現下降。這種在同一根電極上實現的高效解耦直接表明，HGA 不太可能僅僅是局部神經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反饋腦機接口任務設計。

Fig 2. 獼猴在正交神經反饋任務中的表現。隨著訓練進行，光標軌跡迅速變直，成功率上升且到達時間縮短，證明獼猴能快速學會獨立調節這兩種信號。

Fig 3. 局部放電與 HGA 的獨立調制證據。在腦機接口控制期間，同一電極上的放電率與 HGA 之間的相關性降至接近于零，與手動控制期間的適度相關形成鮮明對比。

既然 HGA 不是局部放電的產物，那它究竟代表了什么？研究者進一步分析了控制電極上的 HGA 與整個微電極陣列（覆蓋數毫米皮層）上其他神經元活動的關系。

如果 HGA 是泄漏產生的，那么在 HGA 升高時，控制電極周圍的鄰近電極應該表現出更高的放電率。然而數據表明，HGA 的升高伴隨著整個陣列上廣泛分布的神經元放電率的增加，并沒有表現出對鄰近電極的偏好。研究者計算了基于距離加權的局部放電總和（DWSS），發現它與 HGA 的相關性極低。

相反，通過因子分析提取出的代表整個網絡同步活動的低維“共放電（co-firing）”模式，與控制電極上的 HGA 表現出高度相關。這意味著，HGA 實際上是更宏觀的神經網絡同步狀態的局部反映。

Fig 4. HGA 與群體共放電的緊密聯系。控制電極的 HGA 與距離加權的局部放電總和相關性很低，但與跨越整個微電極陣列的低維同步共放電模式高度相關。

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

結果揭示了一個關鍵的時間差：控制電極上的 HGA 峰值平均出現在其他電極神經元放電后的 12.5 毫秒左右。這個時間延遲完美契合了突觸前動作電位到達并引發突觸后電位（PSP）所需的生理時間。更重要的是，那些對網絡“共放電”模式貢獻最大的神經元（即權重最高的電極），其放電引發的 HGA 峰值也最高。

這一結果將空間分布與時間機制統一了起來：廣泛分布的神經元群體發生同步放電，這些信號傳遞到控制電極附近的樹突和胞體，引發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. 動作電位觸發的 HGA 平均分析。對共放電模式貢獻最大的廣泛分布的神經元，其放電不僅在時間上穩定領先于 HGA 峰值，且引發的 HGA 振幅也最大，為突觸后電位假說提供了直接的機制證據。

研究意義

這項研究通過精巧的腦機接口因果干預范式，為長期以來的 HGA 來源之爭提供了迄今為止最清晰的答案。它調和了過去看似矛盾的發現：HGA 之所以經常與大范圍的平均放電率相關，是因為它們都受到相同的底層突觸事件驅動；而 HGA 之所以與單個局部神經元的放電相關性低，是因為它本質上是對廣泛網絡同步輸入的整合（PSPs），而非局部輸出（Spikes）的直接記錄。

從方法學和應用角度來看，這一發現解釋了為什么 HGA 在腦機接口中是一種極其穩定且壽命長久的控制信號。因為它匯聚了廣泛分布的神經元輸入，降低了對單個神經元放電變異性的敏感度。同時，這也提醒研究者在進行認知神經科學研究時，應將 HGA 視為介觀尺度上神經元群體同步計算的標志，而不是簡單地將其等同于電極尖端幾個神經元的活躍程度。

分享人：飯鴿兒

審核：PsyBrain 腦心前沿編輯部

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