在没有明显运动的情况下,支持身体运动的大脑系统在听音乐时处于活跃状态。这种隐蔽的运动活动尚不十分清楚,但一些理论提出它在通过运动模拟促进的听觉时间预测中发挥作用。一个问题是与音乐相关的隐蔽运动活动与明显运动期间的运动活动有何关系。我们使用头皮脑电图通过测量 μ 节律来解决这个问题——μ 节律是与躯体运动系统相关的出现在感觉运动皮层的皮层场现象。在足部与手部运动范式中,在足部运动期间/之前手部感觉运动皮层的单侧 μ 增强被认为反映了在另一个效应器当前/未来运动期间手部运动的抑制。在抑制运动的情况下听音乐过程中的 μ 行为尚未确定。我们在无运动的静默、明显运动(足部/手)和无运动的听音乐期间记录了 32 通道脑电图(n = 17)。使用基于独立成分分析的源等效偶极子聚类技术,我们确定了三个与 mu 相关的簇,位于左侧初级运动皮质和右侧和中线前运动皮质。右脚轻敲伴随着左侧源簇中的 mu 增强,重复了之前的工作。音乐聆听伴随着左侧和中线簇中的类似 mu 增强。据我们所知,我们是第一个在没有明显运动的情况下报告和源解析音乐相关 mu 调制的人。隐性音乐相关运动活动已被证明在节拍感知中发挥作用(Ross JM、Iversen JR、Balasubramaniam R. Neurocase 22:558 – 565,2016)。我们目前的结果显示,体位组织的 mu 得到增强,支持节拍感知期间的明显运动抑制。
神经反馈 (NFB) 的治疗效果仍然存在争议。本文我们表明,顶叶 2 脑电图 (EEG) α 活动的视觉 NFB 仅在以短延迟 3 传递给人类受试者时才有效,这保证了 NFB 在 α 主轴仍在进行时到达。NFB 要么在处理 EEG 4 包络时立即显示,要么额外延迟 250 或 500 毫秒显示。如自适应 Neyman 测试所示,NFB 引起的 α 5 节律变化的时间过程显然取决于 NFB 延迟。NFB 对 6 α 主轴发生率有很大影响,但对其持续时间或幅度没有影响。完成 NFB 训练后测量的 α 活动持续变化与延迟呈负相关,最短测试延迟的最大变化为 8 ,最长测试延迟为无变化。 NFB 延迟对 alpha 活动时间结构有如此显著的影响,这可以解释之前的一些不一致的结果,其中延迟既不受控制也未记录。临床医生和 NFB 设备制造商应将延迟添加到其规格中,同时启用 11 延迟监控并支持短延迟操作。
有人提出,皮质振荡通过神经同步机制在语音和音乐感知、注意力选择和工作记忆中发挥功能性作用。神经同步的一个常被忽视的特性是,它对持续振荡的调节作用比节奏刺激更持久。我们通过在被动感知范式中研究旋律刺激期间和之后皮质神经振荡来测试这种现象的存在。旋律由嵌入在 2.5 Hz 流中的 60 和 80 Hz 音调组成。通过对男性和女性的颅内和体表记录,我们发现,在响应音调时,整个皮质(远远超出了听觉区域)的高 c 波段都出现了持续的振荡活动。相比之下,在响应 2.5 Hz 流时,未观察到任何频带的持续活动。我们进一步表明,我们的数据可以通过阻尼谐振子模型很好地捕获,并且可以分为三类神经动力学,具有不同的阻尼特性和特征频率。该模型为人类皮层中听觉神经同步的频率选择性提供了机械和定量解释。
胃体中的 Cajal 肌间质细胞网络充当着胃的“起搏器”,持续产生约 0.05 Hz 的电慢波,主要通过迷走神经传入神经传递到大脑。最近的一项研究将静息态功能磁共振成像 (rsfMRI) 与同步表面胃电图 (EGG) 相结合,将皮肤电极放置在上腹部,发现 12 个大脑区域的活动与胃基础电节律明显相位锁定。因此,我们探究使用空间独立成分分析 (ICA) 方法估计的大脑静息态网络 (RSN) 的波动是否可能与胃同步。在本研究中,为了确定任何 RSN 是否与胃节律相位锁定,对一名参与者进行了 22 次扫描;在每个会话中,获取两次 15 分钟的 EGG 和 rsfMRI 数据。三个会话的 EGG 数据具有微弱的胃信号而被排除;其余 19 个会话总共产生了 9.5 小时的数据。使用组 ICA 分析 rsfMRI 数据;估计 RSN 时间进程;对于每次运行,计算每个 RSN 和胃信号之间的锁相值 (PLV)。为了评估统计意义,所有“不匹配”数据对(在不同日期获取的 EGG 和 rsfMRI 数据)的 PLV 被用作替代数据来生成每个 RSN 的零分布。在总共 18 个 RSN 中,发现三个与基础胃节律显著锁相,即小脑网络、背部体感运动网络和默认模式网络。肠脑轴负责维持中枢神经系统与内脏之间的内感受反馈,其紊乱被认为与多种疾病有关;脑部 rsfMRI 数据中胃部亚慢节律的表现可能对临床人群研究有用。
脑机接口 (BCI) 可以设计为具有多种反馈模式。为了在治疗应用中促进适当的大脑可塑性,反馈应引导用户引发所需的大脑活动,并且最好与想象的动作相似。在本研究中,我们采用脑磁图 (MEG) 测量健康受试者的神经生理变化,这些受试者使用两种不同的反馈模式进行基于运动想象 (MI) 的 BCI 训练。本研究中使用的 MI-BCI 任务持续 40-60 分钟,涉及右手或左手运动的想象。8 名受试者通过视觉反馈执行任务,14 名受试者通过本体感受反馈执行任务。我们使用广义线性模型分析了整个会话中 4-40 Hz 范围内多个频率的功率变化,以找出训练期间功率显著增加的频率。此外,还分别分析了每个梯度计的 alpha(8-13 Hz)、beta(14-30 Hz)和 gamma(30-40 Hz)波段的功率增加,以找到在整个会话期间表现出显着线性功率增加的通道。这些分析应用于三种不同的条件:休息、准备和 MI。在所有条件下,视觉反馈都增强了枕叶和左颞叶通道中主要高 beta 和 gamma 波段(24-40 Hz)的振幅。相反,在本体感受反馈期间,功率主要增加在 alpha 和 beta 波段。在所有条件下,在多个顶叶、枕叶和颞叶通道中都发现了 alpha 波段增强,而 beta 波段增加主要发生在休息和准备期间的顶叶枕叶区域,在 MI 期间发生在手部运动区域上方的顶叶通道。我们的结果表明,使用本体感受反馈的 BCI 训练会增加运动皮层中感觉运动节律的功率,而视觉反馈主要导致视觉皮层中 gamma 波段的增加。 MI-BCI 应该涉及本体感受反馈以促进运动皮层的可塑性。
ADHD 的特点是无法完成认知任务,而这些任务需要患者在较长时间内自我调节注意力。因此,研究持续注意力和抑制之间的相互作用十分重要,尤其是通过潜在的神经过程,如注意力(背侧或腹侧)网络对感知处理的调节( 8 )。高时间分辨率、脑磁图和脑电图 (M/EEG) 研究对于通过引出注意力机制来理解 ADHD 的神经生理学至关重要。例如,长期以来人们一直认为皮质振荡(即神经活动的节律模式)在大脑不同区域之间的交流中发挥作用( 9 ),而通过测量事件相关同步性,已证明 ADHD 患者的皮质振荡会发生改变( 10 )。
根据频率范围,EEG 信号可以区分出六种不同的大脑节律:delta(0.5 至 4 Hz)、theta(4 至 8 Hz)、alpha(8 至 13 Hz)、mu(8 至 13 Hz)、beta(13 至 30 Hz)和 gamma(25 至 100 Hz)。delta 节律发生在幼儿或成人深睡或脑部异常的人身上,由低于 3.5 Hz 的频率成分组成。theta 节律发生在人疲劳且无法集中注意力时,主要出现在颞叶和顶叶区域。枕叶用于记录 alpha 节律。当人们睡着时,这种节律会完全消失,但当他们平静而清醒、困倦但清醒且疲劳时,它就会出现。此外,如果人们试图保持清醒,alpha 将占主导地位。beta 节律主要在顶叶和额叶区域产生。当一个人注意力集中、兴奋或激动时,就会出现 Beta 节律(Brismar,2007;Miller,2007;Foong 等人,2019)。mu 节律和 gamma 节律可以分别从感觉运动区域和躯体感觉皮层记录下来。gamma 节律在学习、记忆和处理数据方面至关重要。此外,它还出现在高级认知任务中(Herrmann 和 Demiralp,2005;Fazel-Rezai 等人,2013)。
“我们的研究结果挑战了大脑动力学的传统观点,这种观点通常认为信息处理是局部的,”这项研究的第一作者 Felix Effenberger 说。“相反,我们认为大脑使用波以高度分布式和并行化的方式进行计算。这种基于波的响应产生的干涉模式有利于对刺激特征之间的空间和时间关系进行整体表示和高度分布式编码。”
[1] 马克斯普朗克人类认知与脑科学研究所神经病学系,莱比锡 04103,德国 [2] 柏林夏里特医学院伯恩斯坦计算神经科学中心,柏林 10117,德国 [3] 罗氏制药研究与早期开发、神经科学与罕见疾病,罗氏巴塞尔创新中心,F.霍夫曼-罗氏有限公司,巴塞尔,4070,瑞士 [4] 莱比锡大学 LIFE – 文明疾病研究中心,莱比锡,04109,德国 [5] IU 国际应用技术大学心理学系,埃尔福特,53604,德国 [6] 莱比锡大学医学中心精神病学和心理治疗系,莱比锡,04103,德国 [7] 精神病学、心身医学和心理治疗,法兰克福歌德大学,法兰克福,60323,德国 [8] 医学信息学,统计学和流行病学研究所(IMISE),莱比锡大学,莱比锡,04109,德国 [9] 认知神经病学系,莱比锡大学医院,莱比锡,04103,德国 [10] 神经物理学组,神经病学系,夏里特 - 柏林大学医学院,柏林,10117,德国
[1] 马克斯普朗克人类认知与脑科学研究所神经病学系,莱比锡 04103,德国 [2] 柏林夏里特医学院伯恩斯坦计算神经科学中心,柏林 10117,德国 [3] 罗氏制药研究与早期开发、神经科学与罕见疾病,罗氏巴塞尔创新中心,F.霍夫曼-罗氏有限公司,巴塞尔,4070,瑞士 [4] 莱比锡大学 LIFE – 莱比锡文明疾病研究中心,莱比锡,04109,德国 [5] IU 国际应用技术大学心理学系,埃尔福特,53604,德国 [6] 莱比锡大学医学中心精神病学和心理治疗系,莱比锡,04103,德国 [7] 精神病学、心身医学和心理治疗,法兰克福歌德大学,法兰克福,60323,德国 [8] 医学信息学,统计学和流行病学研究所(IMISE),莱比锡大学,莱比锡,04109,德国 [9] 认知神经病学系,莱比锡大学医院,莱比锡,04103,德国 [10] 神经物理学组,神经病学系,夏里特 - 柏林大学医学院,柏林,10117,德国