神经科学中一个最大难题就是，大脑是怎样在细胞水平为思维——如认知和记忆编码的。已有证据显示，不同的神经元集群代表了不同的信息，但还没人知道这些集群是什么样子或怎样形成的。据物理学家组织网近日报道，最近，美国麻省理工大学和波士顿大学通过研究猴子行为，揭示了神经元集群怎样形成思维，并为思想的灵活变化提供支持。相关论文发表在近日出版的《神经元》杂志上。
该研究由麻省理工大学皮科瓦学院神经科学教授埃尔·米勒领导，他们发现神经元集群是通过彼此同步振动的方式来给某个行为规则编码。研究人员指出，这一发现表明意识的本质属性可能是有节律的。
“当我们交谈时，各种想法在头脑中不断浮现又消失，这些都是各种神经元集群在不断形成，组成一种形式，再改成其他形式。但大脑是怎样做到这一点的还是个谜。”米勒说，这也正是思维本身的真正性质。
研究人员识别出了猴子脑中的两组神经元集群。他们训练这些猴子根据物体不同的颜色和方向作出不同的反应，这要求猴子在认知上有灵活性——在两套不同行为规则之间转换的能力。“事实上，它们所做的是把注意力集中在物体信息的某些方面，而忽略其他方面。它们选择哪种行为取决于环境。”论文领导作者之一、麻省理工大学博士后蒂姆·布施曼说。
当猴子改变任务时，研究人员检测了它们整个前额叶皮质（大部分计划、思考发生在这里）不同区域所产生的脑波，发现神经元电流以节律性振动的形式产生了脑波。当猴子以方向为判断准则时，某些神经元以高频振荡，产生了β频率波动；以颜色为准则时，另一组神经元产生了β波。有些神经元会重叠，多组集群都会用到它们，但每组集群都有自己的组合方式。而且，当以颜色为准则时，曾经的“方向组”神经元之间出现了低频α波。研究人员认为，α波与脑活动抑制有关，能帮助那些“方向组”的神经元安静下来。
“这表明方向准则是占优势的，颜色准则相对较弱。大脑对‘方向组’发出了一阵α波，让它们平息下来，这样猴子才能使用较弱的神经组。”
目前，研究小组正致力于探索大脑在不同规则之间切换，也就是思考的时候，神经元集群之间是怎样协调彼此行为的。有些神经科学家认为，这需要有更深的脑结构起作用，比如丘脑来执行这一协调任务，但还没人能确证这一点。米勒说：“究竟是什么在控制着你的思维？这是认知上的最大秘密。”
该研究也有助于揭示意识的神经基础。米勒说：“意识最基本的特征是它的容量有限，能在头脑里并存的思想非常少。”这些波动解释了为何意识容量是有限的。当一个动物同时思考两件事时，需要两组不同的集群以β频率振动，它们互相干扰了相位。适合一个波动周期的信息数量是有限的，破坏这些振动可能导致神经紊乱，如精神分裂症。研究还显示，精神分裂症患者的β振动减少。（生物谷Bioon.com）
doi.:10.1016/j.neuron.2012.09.029
PMC:
PMID:
Synchronous Oscillatory Neural Ensembles for Rules in the Prefrontal Cortex
Timothy J. Buschman, Eric L. Denovellis, Cinira Diogo, Daniel Bullock, Earl K. Miller
Intelligent behavior requires acquiring and following rules. Rules define how our behavior should fit different situations. To understand its neural mechanisms, we simultaneously recorded from multiple electrodes in dorsolateral prefrontal cortex (PFC) while monkeys switched between two rules (respond to color versus orientation). We found evidence that oscillatory synchronization of local field potentials (LFPs) formed neural ensembles representing the rules: there were rule-specific increases in synchrony at “beta” (19–40 Hz) frequencies between electrodes. In addition, individual PFC neurons synchronized to the LFP ensemble corresponding to the current rule (color versus orientation). Furthermore, the ensemble encoding the behaviorally dominant orientation rule showed increased “alpha” (6–16 Hz) synchrony when preparing to apply the alternative (weaker) color rule. This suggests that beta-frequency synchrony selects the relevant rule ensemble, while alpha-frequency synchrony deselects a stronger, but currently irrelevant, ensemble. Synchrony may act to dynamically shape task-relevant neural ensembles out of larger, overlapping circuits.
