节律性振荡与同步化

用细胞内电生理方法研究同步化机制，引出了神经细胞电振荡的现象；电振荡也涉及神经网络机制，稀少同步振荡（sparsely synchronized oscillation）可能是多种节律产生的共同基础。有关皮层状态和局部场电位以及上、下慢振荡状态的关系，见本章7.7.6。

有实验描述了在使用不同麻醉剂的情况下，从猫大脑皮层联络区5、7区，运动区4、6区，视觉区16、17区细胞内记录到的新的慢振荡，包括去极化和超极化的成分。记录神经元共254个，经逆向及顺向传导鉴定，认为属于皮层-丘脑或胼胝体投射神经元，它们接受来自丘脑核群的适当的传入，也接受对侧大脑皮层同一部位的投射。结果记录到两大类型的细胞——规律性锋电位放电（主要是慢适应的，也有快适应的）神经元，以及内源性爆发性细胞。对21个慢振荡性神经元进行了细胞内染色，发现是锥体样细胞，存在于大脑皮层Ⅲ—Ⅵ区，有丰富的基树突支［11］。

在所记录的神经元中，有66%出现慢节律，此节律包括慢去极化包络波（持续0.6～1.5s），有叠加于其上的完整动作电位或推测的树突锋电位，随之以长时程超极化。这种交替的电位系列可以节律性地发生，其频率低于1 Hz，其优势振荡在0.3～0.41 Hz，在尿烷麻醉的动物中占了67%。多数神经元（约70%）的这种覆盖于慢去极化之上的重复发放锋电位，可以被轻微的直流电超极化所阻断；当完整动作电位被除去以后，30%的细胞展示了相对小的（3～12 mV）快速、全或无特征的电位。当Vm更加负于-90 mV时，这些快速锋电位以全或无的形式被压抑。当Vm在-90 mV到-100 mV时，慢节律的去极化包络波减少或被压抑，而且当给予NMDA阻断剂氯胺酮（ketamin，又称克他命或凯特明）以后，其时程会大大缩短。与此作用相一致，多数神经元在氯胺酮和一氧化氮（NO）、氯胺酮和甲苯噻嗪的麻醉下，显示较慢振荡、较高频率（0.6～1 Hz），比之在尿烷的麻醉下（0.3～0.4 Hz）［11］。

在18%的振荡细胞中，慢节律主要包括重复性（15～30 Hz）的、相对短持续性（15～25 ms）的IPSP。把膜电位设置到比-70 mV为正的电位时，此IPSP可以显露出来。慢振荡、长持续时间（＝1s）的超极化相，在静息膜电位时最容易看到，当膜电位达到-100 mV时就减少。同时记录另一个细胞，演示了两个神经元的同步性抑制时期。细胞内给予氯离子或铯（Cs+）离子，可以减少周期性长持久性超极化的幅度及/或时程［11］。

新描写的这种振荡在所有被研究过的皮层脑区（感觉区、运动区、联络区）都出现，表明这种振荡是由形态学上和生理学上被鉴定的锥体细胞所展示的。根据它在锥体细胞上有节律（0.3 Hz）的重复性IPSP周期存在来推测，似乎也有局部回路的抑制性细胞参与其中。因为有实验表明，慢的细胞振荡和脑电图振荡之间有紧密相关，所以又研究了大群体事件，在其他文章中还有报道。丘脑核的神经细胞全部遭受损伤后，这种慢的皮层振荡可以保留下来，而此丘脑部位是投射到被记录的大脑皮层神经元的。可见，在把皮层神经元集群在一起，进入0.3 Hz节律以及其他睡眠振荡如梭状波（7～14 Hz）和δ波1—4（1～4 Hz）方面，皮层振荡显示关键性作用［11］。

因此，关于睡眠振荡的新看法是，它与其他不同的皮层节律都是由丘脑和皮层神经元的内源性电生理学特征产生的，都是由复杂的皮层-丘脑-皮层网络的突触相互作用造成的［11］。参看第8章。

皮层和丘脑-皮层活性是活性高度依赖的、多种活性型式的变动，这种活性可以有益于准确的感觉-运动加工，也可以不考虑外部影响而产生脑自己的节律，以至大部分处于脱机状态。节律性活性的产生是神经连接的刻板型式和膜及突触的内源性特点相互作用的结果。节律性产生的一般原理是：正反馈环（例如回返性兴奋）与负反馈调控（例如抑制、适应、突触阻遏）的相互作用。状态相关活性的实施，可以产生广泛的效应，促进或阻断感觉-运动加工，可以产生病理性节律，而与精神、神经疾病有关［12］。

猫丘脑的实验研究表明，丘脑神经元的慢（0.5～4 Hz）振荡是由于两个内源性电流的相互作用。有实验进一步研究了此内源性丘脑振荡的网络调制，其频率范围是在EEG睡眠δ波的范围里。研究认为，皮层诱导的猫丘脑-皮层（thalamocortical）神经元同步化和脑干胆碱能压抑，都参与其中。实验用麻醉猫做了经逆向鉴定的305个丘脑-皮层神经元的细胞内和细胞外记录，丘脑核包括感觉、运动、联络和髓板内核［13］。

在静息膜电位Vm为-60.3±0.4 mV（平均±SE）时，皮层刺激可以诱导梭状波振荡（7～14 Hz）。当膜电位比-65 mV更负时，同样的刺激触发脑电图0.5～4 Hz频率范围的振荡，包括低阈值锋电位（low threshold spike，LTS），随之以后超极化电位（after hyperpolarization potential，AHP）。LTS-AHP顺序是一个自我支撑的、频率为1～2 Hz的节律性波，可以持续到皮层刺激结束以后。皮层-丘脑刺激能够把在Vm负于-65 mV情况下自发发生的阈下慢振荡（0.5～4 Hz），转变为节律性的LTS。这种LTS的顶上具有钠锋电位的爆发。皮层脉冲停止后，锋电位爆发还持续10～20 s。当锋电位在几个周期以后被阻尼（dampened）时，皮层脉冲也可以复活超极化激活的慢振荡。“成对”神经元(1)的统计学自相关和互相关图显示，经过一系列皮层-丘脑刺激以后，不相关的细胞变成同步化，同步化前后的神经元都展示节律性（1～2 Hz）的爆发波或锋电位串波。由于δ丘脑振荡在睡眠晚期优先出现，与作为早期睡眠期特征的梭状波相比，它在更负的膜电位上被触发。据此，研究者假设，丘脑-皮层神经元的进行性超极化，随着EEG同步化睡眠的行为状态而深化。根据以上情况，皮层诱导的慢振荡依赖于突触诱导的丘脑-皮层细胞超极化。因此，这种皮层-丘脑输入的增强性影响，来自两群丘脑GABA能细胞群的参与，也有网状结构的和局部神经回路神经元的参与。丘脑-皮层-丘脑环把丘脑振荡细胞的锋电位爆发波转移到皮层靶，后者转过来增强直接传导通路及/或间接投射的振荡，间接投射由网状结构和局部回路的丘脑细胞转送［13］。

在单胺耗竭的动物中，刺激中脑及脑桥胆碱能神经核［臂旁核（PB）］及外背侧被盖（LDT）所引起的效应，与皮层-丘脑脉冲的效果相反。PB/LDT刺激减少或压抑丘脑细胞由高频锋电位组成的慢振荡（1～4 Hz）爆发波。PB/LDT效应与丘脑-皮层神经元的去极化有关联。皮层EEG反应包括40 Hz皮层波的出现。PB/LDT刺激的短时程效应持续2～3 s，伴有膜电导增加，可被胆碱型拮抗剂梅坎米胺（mecamylamine）所阻断。在较少情况下，PB/LDT刺激诱导的慢振荡破坏持续10～15 s。与PB/LDT刺激的效应相类似，光刺激可以压抑从背外侧膝状体神经元记录的爆发性神经元慢振荡，并被张力性放电所取代。以上结果证明，弥散性投射调制系统或感觉特异通道由于能够使丘脑靶细胞去极化，因而可以去耦合同步神经元，破坏慢振荡，使丘脑-皮层神经元准备转送来自感觉传入的信息。这些结果表明，个别丘脑神经元的慢振荡是由于内源性电流相互作用而形成的，神经元群体的同步化以及作为其后果的宏观节律性EEG电位的产生，依赖于丘脑-皮层网络的性质，包括抑制性丘脑细胞。振荡的压抑伴随着从慢波睡眠到觉醒或快速眼动睡眠的转变，大部分是由于弥散作用在丘脑-皮层系统的脑干-丘脑的胆碱能调制［13］。

越来越多的证据表明，大脑皮层的快速节律显示稀少同步振荡的特点(2)［4］。

有资料表明，尖波纹波似乎代表锥体细胞之间或中间神经元之间的稀少同步振荡，这种波显示有高度的不规则性，而且其放电特点是比较低的放电频率；比之场电位振荡（100～200 Hz），它是中断式的。在振荡周期中，锥体细胞的放电一般在快速放电中间神经元之前。Adrian等人首先在小脑上看到快节律（200 Hz）。我们知道，小脑对于精细运动的调节是关键性的。有假说认为，为了调控运动，准确的时程是非常需要的，浦肯野细胞间的同步化必须达到毫秒级别。近来的活体研究应用多单位四极管记录方法，发现浦肯野神经元之间存在准确的同步活动，直接与活体鼠小脑快速场电位的波动相关。这个小脑节律与稀少同步振荡的特征是相一致的，场振荡的频率是150～250 Hz，而个别浦肯野细胞的平均放电频率约为38 Hz。神经元锋电位的放电并不发生在场振荡的多个间隔期。对邻近浦肯野细胞的互相关研究显示，在1～5 ms间有一个峰，但很快（两个周期以内）衰减为大的基线，这符合从高概率的神经动力学所预料的。电流源密度分析提示，快振荡发生在脑的含有浦肯野细胞胞体和近端树突的那一层。这种准确的同步并不被认为是由于平行纤维输入所产生的共同兴奋，因为其空间范围的关联在两个方向上是类似的，即沿着平行纤维的方向，以及不沿着平行纤维等的方向。更进一步，用GYKI52466阻断AMPA受体介导的兴奋，真的能够增加振荡功率。另一方面，用印防己碱阻断GABA受体，可以减少振荡功率达到40%，提示突触抑制也参与活体的200 Hz小脑振荡。此结论和其他的研究有点不一样。其他的研究报道说，离体小脑薄片的烟碱型乙酰胆碱受体（nAChR）激活引起100 Hz振荡，缝隙连接显示有关键作用。有学者在抑制性神经网络模型中，复制了有特色的活体实验观察，从而提出公式，可以大致预见神经网络的振荡频率。有意思的是，这个模型产生200 Hz振荡，需要具有快时间常数的抑制性突触后电位（IPSP）。这与离体测量成年动物小脑的抑制性电流是一致的（成年动物小脑的神经元比发育动物小脑快3倍）。此外，应用二区隔神经元模型研究浦肯野细胞，令回返性抑制突触靠近与粗树突相对隔离的胞体。这种模型产生了一个相当高程度的共振频率，比之把浦肯野细胞看成单一区隔的模型。上述的结果表明，需要何等细致的突触及细胞特征研究加在一起，才有可能集合起来确定具有不规则神经元放电的神经网络振荡［4］。

活体嗅球、海马及新大脑皮层的γ节律都显示一个特征，它们是稀少同步振荡的。例如与LFP振荡相比，单个神经元放电是不规则而低频率的。在离体新大脑皮层或海马脑薄片上，乙酰胆碱受体的激活引起γ节律，锥体神经元在5%的周期中放电。细胞内电压以及电压钳记录的突触电流提供了大量的证据，强烈支持γ和β振荡产生的兴奋-抑制回路机制。第一，单个神经元动作电位的放电概率显示了分布峰，其相位对应于场电位的γ周期，其中锥体细胞领先于胞体周围靶向的中间神经元大约数毫秒（2～8 ms）。这意味着，抑制性神经元滞后于锥体细胞约一个相位差（在活体为60°，在离体为55°或23°）。从定性的角度看，这种相位差与反馈抑制理论模型相符合。第二，与主要中间神经元网络的机制不同，突触的兴奋并不是张力性的。用活体全细胞电压钳测量方法研究海马自发性γ振荡或者气味引起的梨状皮层β振荡时发现，神经元的EPSC提前IPSC数毫秒。不论在活体还是离体研究中，都发现单个神经元的兴奋性和抑制性突触的电导，以快速时程同时波动，这样就导致了在γ周期范围内有相当程度的周期间变异。第三，在海马及新大脑皮层，如果阻断兴奋性AMPA受体或抑制性GABAA受体，则离体应用碳酰胆碱可引导快速振荡的取消。如果通过基因操控方法减少表达小清蛋白的快速放电中间神经元上的谷氨酸突触传递，则会导致γ振荡减少。在这些实验中，阻断AMPA受体就剥夺了皮层神经回路主要的兴奋性驱动，而这是其他方法所不能补偿的。在具有中间神经元的网络中，兴奋性驱动对于引起同步活动是必需的。然而，这些研究还强烈支持一种看法，即为了海马、新大脑皮层的自我支持γ节律，存在着一个反馈回路机制。近来的光遗传学研究发现，通过光刺激引起中间神经元快速放电，可以导致γ振荡，但它们大部分可由于AMPA受体和NMDA受体的阻断而被取消，光刺激锥体细胞则增强γ振荡。此结果提示，γ节律的产生依赖于通过驱动中间神经元的锥体细胞反馈回路［4］。

在行为猴子运动皮层的单个神经元活动记录中，可以明显看到LFP中的β节律与神经元的稀少同步振荡行为相一致。对β波段振荡的机制，研究得比较少，但它的产生可能类似于γ节律的回路机制。例如，在一些由相互作用的锥体神经元及中间神经元所组成、既具共性也有差别的Hodgkin-Huxley类型模型中，或展示γ波段网络振荡，或展示β波段振荡。β节律的时间段对应于锋电位的后超极化，其持续时间为30～100 ms，这是从清醒猴运动皮层神经元的细胞内记录中发现的，较低频率可能是由细胞和突触的混合特征决定的，包括锥体细胞的电压门控、钙门控的钾通道电流，以及回返性兴奋性连接的强度，可能也包括特定中间神经元的亚型。当前还不完全清楚的是，回路的哪些特点是我们所需要的，它们能够定量地解释我们所看到的γ、β节律产生时兴奋性和抑制性细胞间相应的相位滞后关系。向前走的关键一步是，不仅要看到不同神经元群体锋电位放电的相位关系，也要看到整个神经元群体放电活性的相位关系，以及靶神经元群体中的突触电流相位关系。有一篇很好的文章探讨了离体胆碱能诱导的γ振荡。研究者们测定了锥体细胞兴奋性和抑制性突触电流的相位分布，发现了3个不同类型的中间神经元。有意思的是，我们从这个实验看到，在今后工作中，是否所看到的相位关系、放电活性以及突触电流，都可以定量地被“稀少同步振荡”理论所解释［4］。

即使为了让锥体细胞与中间神经元相互作用产生快速振荡，皮层神经回路中的抑制性突触输入也特别适宜于介导准确同步化。而某一靶向到胞体或树突的锥体细胞亚群的中间神经元，可以引起频率和相位特异的形式。这样一种设想与活体的结果相符。在γ频率的振荡中，抑制性突触电位比之兴奋性突触电位含更多的功率，而且IPSP的掩护（barrage）——而不是兴奋性突触后电位（EPSP）的掩护，在同时记录的锥体神经元之间显示明显的同步化。从这种情况看来，高频率LFP波动，较之突触兴奋有可能更多地反映了突触抑制［4］。

总体来看，稀少同步振荡的看法提供了一个有希望的新框架，它比耦合振荡前进了一步，耦合振荡可以描写大脑皮层的快速节律。这两个理论可以作出不同的预测。特别是按照耦合振荡模型，神经元之间产生同步化的机制，优先在于γ频率波段；但与此相对比，稀少同步振荡理论推测，γ节律主要发生在兴奋性和抑制性神经元之间，而中间神经元之间的相互抑制天然是产生100 Hz振荡的超快振荡。重要的是，这种稀少同步振荡理论使得我们有可能把群体振荡和高度随机性的单个神经元放电两者解释到一起［4］。