内部脑状态与神智活动

为了进行知觉、运动协调与学习，脑的内部状态是关键性的决定因素。在哺乳动物中枢神经系统中存在着脑的不同状态，一个显著的反映是存在着不同型式的皮层同步化。这可用细胞外记录脑电图、局部场电位和动作电位加以发现。皮层活性的这种时间上的相关，被认为是神经元计算的基本机制。然而不清楚的是，皮层同步化如何反映在正常行为动物的细胞内膜电位（Vm）的动力学上面。本章将介绍，应用双全细胞记录来记录正常行为小鼠Ⅱ/Ⅲ层初级躯体感觉“桶”皮层，发现在安静觉醒的时候，邻近神经元的Vm是高度相关的；然而当小鼠用胡须拂扫时，一个由内部产生的状态变化减少了Vm的相关，导致了去同步化的LFP和EEG（图7-8、图7-9）。在静息清醒时或主动拂扫时，动作电位活性都是稀少的。单个动作电位是由大而短暂的特异兴奋性输入所驱动的，这种输入不存在于邻近细胞的Vm中。与安静时期相比，主动拂扫期发生具有高信噪比的动作电位。此材料显示，在行为发生的时候，脑的内部状态动态地调节皮层膜电位的同步，并且界定皮层加工的不同模式［18］。

图7-8　正常活动小鼠的EEG、LFP、Vm（彩图见图版此处）

动物安静清醒时的EEG、LFP、Vm是高度相关的，但当主动拂扫时则不是这样。（a）Ⅱ/Ⅲ层锥体神经元的重组和图解式显示记录的布局。（b）对重组神经元同时的EEG、LFP和全细胞记录。当安静清醒的时候，这个神经元的振荡具有大幅度和低频率，而当拂扫的时候同步地产生状态改变，LFP是倒置的（朝上是负，标记为-LFP）。（c）选择性样品实验的3个记录方法之间的相关分析，发现在安静时期比之主动拂扫的时候，神经元的活性更加相关。（d）所有测定的互相关群体分析，展示从安静到拂扫状态的明显变化。灰色线条表明不同实验，带有误差横杠的红/黑方块表示均值±标准差；n511：细胞与-LFP比；n59：细胞与EEG比；n59:-LFP与EEG比。n511和n59表示实验次数。（图引自［18］）

图7-9　处在安静而清醒状态以及拂扫状态的小鼠，由大而短暂的特异性输入所产生的动作电位（彩图见图版此处）

（a）（c）安静清醒状态（a）以及拂扫状态（c）时，同时记录Ⅱ/Ⅲ层神经元膜电位，聚焦到单个神经元的动作电位（action potential，AP），这个神经元我们人为地标记为细胞1（黑色曲线）；邻近神经元我们标记为细胞2（蓝色曲线），其Vm仍处在阈下，表明缺少动作电位的同步。左：单个例子；右：此细胞对的伴有锋电位触发的平均值。（b）（d）所有成对细胞记录锋电位触发Vm的大的平均，当安静清醒的时候（b）及拂扫的时（d）（平均±S.D.，n＝57）。（e）锋电位前去极化（pre-spike depolarization，PSD）定量化了细胞1锋电位发生之前20 ms时两个细胞的Vm变化。（f）当拂扫的时候，去极化驱使动作电位相对于正在进行的Vm，变异波动的比例（或为诱发锋电位的信噪比）高了，比之在安静清醒状态。（图引自［18］）

皮层感觉反应强烈地与状态相关。然而，皮层状态如何成形感觉加工过程是复杂的。你不能够简单地提出这样一个问题——在某种状态或另一种状态下，反应大了一点还是小了一点；毋宁说，皮层状态对神经元的效应，似乎依赖于此系统所遭遇的特定刺激类型。然而根据对多种感觉区的研究，似乎有某些共性开始显露。特别是，不论皮层状态如何，那些看起来分离的点状刺激（这些刺激也可以被描写为突出的、意外的短暂刺激）能够引起相当的反应，而在同步化状态下，时间上延长的或快速重复的刺激被“过滤”掉，但是在去同步化状态下，它能很有效地被加工（图7-10）［14］。

图7-10　对应于点状和延时刺激的状态相关反应（彩图见图版此处）

（a）麻醉大鼠（左侧图）和清醒大鼠（右侧图）“桶”皮层对一串刺激的状态依赖的反应。在同步状态下，麻醉的动物和安静、清醒的动物（用蓝圆圈表示）对偶发性点状刺激的反应是大的，但是在高重复频率时此反应很快适应。电刺激网状结构（RF stim）后，或者当作出主动行为（红圆圈）后，对罕见刺激的反应变小，适应也减少。（b）当重复给予时间上延长的自然情景电影时，视觉皮层单位反应的一个栅线代表。刺激基底核（nucleus basalis，NB）逐次地增加反应可靠性。（c）对于听觉皮层重复给予时间上延长的幅度调制的噪声刺激。诱发的局部场电位（LFP）显示了来自两次给予同一刺激在同步化状态时的两次结果（深蓝和浅蓝曲线），以及在去同步化状态时的两次结果（红的和紫的曲线），还有一个细胞对于每种状态下重复给予刺激时锋电位反应的栅线代表。黑色曲线（下方的图）显示刺激包络。在去同步化状态时LFP和锋电位的反应更加可靠。SPL：声波压力水平。（图引自［14］）

神经元活动的状态相关，首次是在人脑EEG记录中观察到的。当时发现在安静清醒状态的时候，有慢的大幅度振荡。从那以后，通过细胞外电生理学的研究发现了证据，振荡频率从0.05 Hz到500 Hz的波具有同步化活性，此活性与行为的状态变化密切相关，也与注意、感觉加工、运动设计密切相关。为了研究作为产生这种皮层活性的基础阈下事件，需要同时记录成对细胞内的膜电位。先前的研究表明，在麻醉情况下，相邻近的皮层神经元显示高同步化的膜电位波动，然而在正常行为的哺乳动物中，双细胞内记录还从来没有人做过［18］。

说起脑状态的行为相关，研究得最好的是在海马。大鼠海马在从事某些行为时发生θ状态，例如走、跑、饲育、探索性嗅；而在从事另一些行为时发生“大不规则活性”（LIA），例如醒着不动、走路、吃东西、梳理毛发、排便。虽然不同的名词被用来特征化地描写从大鼠中可以看到这些状态的各种环境（例如，有人用“随意的”或“探索性的”来描写θ，用“自动的”或“完美的”来描写LIA），但对应于每种状态的准确行为的目录（list），是动物种依赖的。有关这些种差别的机制及含义，仍不太清楚［14］。

与海马相比，啮齿类新大脑皮层在清醒时的状态变异更为细微。在早期研究中采用那种基于用眼睛看一看脑电图记录的方法（图7-11a），变异是不能够被检测出来的。后来应用了频率分析的方法就发现，如果与清醒但被固定的大鼠相比较，在积极行为的清醒大鼠中，会出现低频率LFP的功率压抑。在头被固定的小鼠中，当小鼠有行为时，例如摸一个东西或者滚一个球时，皮层活性变成去同步化的（图7-11b）。行为对于皮层状态的影响，可以通过药理学处理而被大幅放大。例如给予毒蕈碱型胆碱能阻断剂阿托品之后，在安静不动的状态时会发生大而慢的睡眠样皮层活性，但是此活性在动物活动时就受到压抑（图7-11a，c）［14］。

图7-11　皮层局部场电位与行为的关系（彩图见图版此处）

（a）在经典的笔描计记录中，对照条件下的行为和皮层脑电图（ECoG）的关系很难用目测检测到［图内上面两条曲线为皮层脑电图（CTX）和运动（MVMNT）］。腹腔内给予每千克50 mg阿托品后，这种关系被明显放大（图内下面两条曲线）。（b）近来的研究显示，在拂扫行为时，从颅内LFP以及膜电位记录可以清楚地看到自发性波动的减少，但这难以用目测从皮层表面脑电图上看出来。（c）猴初级视觉皮层。当注意朝向对应于电极所处位置的感受野时，低频率（2～10 Hz）的功率减少（att RF；用红和绿表示）；应用毒蕈碱型拮抗剂东莨菪碱（Scop；用绿和黑表示）后，或者把注意引向其他处后，低频率功率增加。Vm：膜电位；att RF：注意朝向感受野；att away：注意被引开。（图引自［14］）

“注意”是指动物的一种能力，它能够选择性地对某些刺激增强检测并对之作出反应，而舍弃另一些。本章所用“注意”是特定地指一种“自上而下”的注意。在这里，反应的增强是由于先前预计到哪一类刺激是重要的，而不是“自下而上”的注意。后者是指刺激本身的物理特征内源性地就是重要的、能引导动物注意的。灵长类研究显示，有多个皮层脑区专心于刺激，产生大的锋电位反应，比之不被注意到的那些刺激。但这不是注意对皮层活动的唯一效果。非常有意思的是，注意的许多其他效应可以在脑皮层的特定部分发生，例如减少低频波动、逐次（trial-to-trial）变异及相关（类似于皮层的去同步化），而这些特定部分的大脑皮层，正是代表注意刺激的［14］。

有作者先讨论啮齿动物状态依赖的皮层过程之性质和机制，然后考察注意如何调制灵长类的视觉皮层过程。他们论证，注意包含着类似于引起皮层去同步化的那些过程，只不过是在局部的水平上操作。他们提示，这种局部去同步化产生于两者的结合，一是弥散性神经调制的输入，另一是张力性的谷氨酸驱动。谷氨酸驱动聚焦在皮层的那个代表受注意刺激的神经元群体［14］。

经典的皮层状态观点是，状态是所有皮层区同时发生的整体同步化或去同步化，相对于睡眠周期来讲一般就是这样（但也有某些例外，例如在鲸类中）。然而有相当多的证据提示，在清醒的灵长动物中，选择性注意也影响局部皮层的去同步化水平，而不是整体脑；比之睡眠和清醒之间的差别，其尺度要小一些。根据这种解释，最大去同步化局限于代表注意到刺激的很小一块脑组织；而另一块代表了未注意到那部分感觉世界的脑组织，它处于更加同步化的状态。他们论证，这种局部状态的改变，可以解释许多实验室所得的关于注意相关LFP功率改变以及关于反应可变性和相关性改变的结果［14］。

1958年，比利时神经生理学家F. Bremer写了一篇影响深远的综述，题目是《脑（电）波的性质、起源、同步化和功能意义的理论与实验资料》。半个多世纪过去了，脑节律的研究现在变成了神经科学许多领域中的人都有兴趣的一个问题。其中的网络振荡问题是吸引人的。对于细胞神经生理学来说，人们有兴趣了解网络行为的生物物理学机制。采用同步性振荡可以用活体、离体的标本进行详细研究，而且可以与越来越多也越来越强有力的遗传学工具相结合，因此对于神经生理学家以及理论家都一样，同步性振荡为研究同步性节律提供了非常优越的途径，例如研究集体的神经网络因细胞的生物物理学和突触回路的相互作用而产生的动力学。另一方面，对于系统神经生理学家来讲，他们早已在清醒动物中记录了单个神经元的电活动，取得了很大的成功，用以说明行为的神经相关。在神经回路中了解协调性的神经群体型式，这对于研究脑节律是一个新的挑战。更进一步，认知涉及大块神经结构网络，因此为了澄清不同脑区间的神经元相互作用，研究脑节律也是非常关键性的。在这方面，由于应用了多电极记录以及成像技术，也取得了很大进展。更一般地说，神经元的同步活动、神经元群体之间已确定时间的协调与信息传送的相关联振荡，可能都参与了认知过程［4］。

Bremer在1958年的综述，集中讨论了α节律，它是大幅度脑电图的10 Hz正弦波振荡，在清醒、放松的状态下自发发生。那时候也早就知道，还存在其他节律的脑电波，它们或在某些行为状态下可以观察到，或可以通过感觉刺激来诱发，但这些宏观的脑电图信号是在头皮外记录的，幅度较小而且空间定位很差。要想得到好一点的测量记录，就必须用侵入性方法到硬脑膜下去记录，那就是大脑皮层电图（ECoG），此时电极直接摆到皮层软脑膜的表面，这样脑产生的电信号就不会由于通过颅骨而减弱。或者可以把电极插到脑的深部，记录局部场电位（LFP）。在动物中应用了ECoG和LFP这两种方法，就可以看到一系列的脑电节律，而且是在不同的行为状态下，在清醒的动物中。下面介绍的就是这些研究［4］。

θ节律（4～8 Hz）是一个在海马及其附近边缘皮层结构中产生的显著相关振荡，当动物进行探索性运动时发生。海马锥体细胞（位置细胞）编码某一特定位置，这称为位置野(4)，即鼠所处的地位。鼠在实验迷宫中为寻觅食物而跑动，当它主动探索前进而跑过位置细胞（place cell）的相应位置野时，这个海马神经元的锋电位时间可以系统地转移到θ周期的早期时相，此现象称为位相前移（phase precession；图7-12），θ节律的位相前移在二维场地上跑动时也可以看到。当动物快速跑动时θ振荡的节律高，但是那种位置细胞的放电时相与鼠在这个开放场地里面所行走的距离之间的线性相位相关，而与跑动的速度无关。此现象提示，空间信息可能部分地由锋电位的准确时程来编码。海马的θ节律也被认为在短暂记忆及空间记忆的形成与回放中起一定作用［4］。

图7-12　认知行为中同步性振荡的例子（彩图见图版此处）

（A）空间跑动时海马的θ节律。上图为作业模式图，大鼠沿着一条线的路径前后跑动，在它前方可活动的墙上悬着喂食的杯子。中图为颜色编码的位置细胞放电的场，由鼠经过多次朝东方向的跑动而产生。下图为同一细胞在一次相同方向的跑动时，EEG的θ节律以及位置细胞的放电（红色）。在锋电位群上面的点表示每个θ周期0°～360°的位相。当锋电位的爆发发生在高于θ节律的时候，每个随之而来的爆发进入早期θ波时相，不论是开始上升还是下降的频率。（B）注意可以减弱视觉皮层的同步化变化。所显示的数据来自实验资料，此实验记录了有行为活动的猴子的大脑皮层V4区的一个神经元。给予动物两个视觉刺激，一个在神经元的感受野以内，另一个在感受野以外。左边是一个图解，绿方框表示感受野，在此实验中是不出现于荧光屏上的。红色曲线表示注意对应于朝向受到记录的神经元感受野，蓝色曲线表示注意对应于朝向感受野以外。在a和b两个条件下的刺激是同样的。连续的描计曲线显示刺激驱动的局部场电位（LFP）。底下是用不同电极同时记录下来的锋电位。（c）（d）锋电位触发的平均值（spik triggered average，STA），是从给予刺激时的记录计算得出来的。STA对应于平均的LTP波型，这可以在锋电位时间上看出来。Y轴表示平均LFP，X轴表示对应于一个锋电位发生的时间。（e）显示在c和d的两个STA功率谱。当注意聚焦到感受野内而放电频率接近于50 Hz时，所记录的神经元倾向于更加在同一时相发放，但是当放电频率接近于10 Hz时，则不是这样。（图引自［4］）

有人认为，γ振荡与位置细胞有一定关系。海马位置细胞的放电耦合于3种（慢、中等、快）不同的γ振荡。即使在横越单个位置野时，有些位置细胞也可以与多种γ振荡耦合。这表明可以进行立即整合，并能更新来自不同神经网络的输入［19］。用颅内电极记录了人的海马脑电，发现人海马δ-θ波段低频振荡编码空间距离。在受试者行走过程中，发现低频率（δ-θ波段）海马振荡可以区分走动距离的长短，而感觉-运动加工对于驱动低频率海马振荡并非必需［20］。

在新大脑皮层中也可以看到θ节律。当受试者进行工作记忆时，θ节律增强，增强出现在各个新皮层区。例如，受试者被要求延搁几秒钟，回忆一连串项目。用清醒猴子做工作记忆作业时，在它的纹状外皮层上可以看到单位放电相位锁定于LTP的θ节律，在人脑中也是如此。θ节律似乎特定地在额叶中线明显，这里包括前扣带皮层，以及前额叶皮层（PFC）的一个亚区。这些脑区都与行为的调控、反应结果的评价以及认知功能的其他方面有关［4］。

最近M. Lundqvist等的实验显示，工作记忆与γ振荡有关。实验证实了一种推测，即神经元放电所携带的工作记忆信息关联到γ爆发波。当工作记忆进行编码、去编码和负荷时，这种窄频带的γ爆发波就增加了。β爆发波则反映了神经元的一种默认状态［21］。

有人认为，内侧嗅区-海马的θ波（5～10 Hz）在记忆形成中起重要作用。但近来的资料表明，一个成功的记忆实施还需要γ波（30～100 Hz）参与到θ波的特定时相。关于θ-γ节律耦合如何易化内侧嗅区-海马的信息传送，近来有这样的看法：如果在θ波的某一特定时相，实行γ调制的神经细胞群受到激活，就有可能使神经网络产生强大的输出，从而保证分布细胞的放电可在紧密靠近的时间内发生。这可能对于各种记忆操作都是有利的［22］。

看来是这样的：多种节律和它们之间的相互作用，保证了神经元通信的有效性、准确性和选择性。γ频带（30～90 Hz）同步化可以迅速地调制兴奋，以致可以摆脱随后的抑制影响，从而有效地激活同步化的突触后神经元。同步化还有这样的作用，就是使突触前的某一激活型式以特定时间协调的方式来到突触后神经元。在某一突触后神经元上有多个突触前输入的汇聚，它们代表不同的刺激。如果注意选择了某个刺激，那么它的神经元代表将显示较强和较高频率的γ频带同步化。因此，受注意刺激的代表就选择性地拖拽（entrain）了突触后神经元。由于拖拽，创立了短时间兴奋和较长时间抑制的交替，这种交替在传送受注意刺激的突触前和突触后神经元群之间进行，而排除未受注意的代表。这种自下而上、占优势的γ频带振荡受到自上而下α-β频带振荡的调节。这样，多种节律和它们之间的相互作用，保证了神经元通信的有效性、准确性和选择性［23］。

关于海马脑区的θ节律机制，有这样的看法：由于远距离脑内的θ节律具有高同步性，因此合乎逻辑的想法是，单个节律发生器负责此项节律；另外，内侧隔区具有长的投射，合乎逻辑的想法是，内侧隔区应该负责整个海马的θ节律。海马θ节律非常便于在活体外（ex vivo）和离体（in vitro）的条件下进行研究［24］。谷氨酸能的内侧隔区回路会调节运动的发动和速度，这个回路介导θ振荡的运动前区发动，并且通过对海马的去抑制，是海马神经元放电频率的运动速度相关之基础［25］。

近来的实验研究表明，θ节律的产生是由于神经细胞的内源性特征，但受脑内数个θ节律振荡器的拖拽。从θ节律功能的行为相关可以窥见它的功能。其功能之一是，为了更有效的空间记忆过程，把相关信息包装在个别θ周期之中。此外，θ节律在脑区之间的耦合促进了脑区之间的通信。总的说来，θ节律的功能是支持脑认知功能的操作，包括学习［26］。

这是指大于100 Hz的振荡。1935年Adrian报告，小脑和海马EEG的特征是有一个短暂的尖锐波——纹波，其频率为100～200 Hz。在清醒而固定的完满（consummatory）行为条件下，以及在NREM睡眠相等情况下，这种纹波经常反复出现，而θ节律是不存在的。类似的超快速振荡在新大脑皮层中也看到过［4］。

这是一种15～30 Hz的振荡。Berger从1931年开始，在初级运动皮层上发现了它。H. Jasper和潘菲尔德（W. G. Penfield，1891—1976）在他们做癫痫病人颅内脑电图（iEEG）的先驱性工作中注意到，β节律在“准备”情况下产生，但当运动发生时就没有了。一般说来，对人和猴子的电生理学研究能够证实一个观点，即β节律与运动系统的准备和抑制性调控有关：运动执行开始时β功率(5)增加，反应维持时则降低。其他的研究表明，β振荡不局限于运动系统，而更一般地参与感觉-运动整合及自上而下的信号传送［4］。β节律可能与新大脑皮层自上而下的信息加工有关，而这种信息加工又与重要认知功能有关，例如预测性编码、注意性调整等。新大脑皮层的这种自上而下的过程与脑区间同步化有关，特别是β频率波段的节律。可见，这种节律可能传送了下位脑区感觉神经元的信息［27］。此外，有人认为γ节律和α-β节律分别实现人类大脑皮层视觉区和视觉区之间的前馈与反馈性影响［28］。

这是一种30～80 Hz的振荡。Adrian第一次揭示，在嗅球中它由感觉刺激所引起。以后W. J. Freeman在海马中进行了深入广泛的研究。在海马中，γ节律常常与θ节律相伴随发生，而且在时间上是互相嵌套的。A. Rougeul等在猫的顶叶和额叶新大脑皮层上鉴定了40～50 Hz的振荡，当时猫似乎处在一种“注意”行为状态（“attentive” behavioural state），例如当它看着一只老鼠，而这只老鼠刚刚进入室内时。作者们把这种快速振荡称为“高警觉度节律”。这些观察与今天的看法一致。今天的看法认为，增强的γ节律是注意的一个生理学指标。另一个重大进展是，观察到了初级视觉皮层的γ节律与神经元放电活动的关系，先是用麻醉动物，以后用清醒动物。在神经元群体间的γ频率同步化，被认为导致了感觉信息的整合。这个假说已经引起了一大批雪崩样的实验性和理论性的研究，希望能用来探讨皮层的节律及其可能的功能［4］。

前面所介绍的种种材料展示了在脑的加工整合中以及在运动调控中皮层振荡的特异作用。为了说明这些贡献是关键性的，有一个方面就是阻断这个振荡，例如通过光遗传学方法，同时解释对行为认知的后果。另一方面，要收集脑受损伤病人的材料，考察他们的神经元同步化受到了什么样的影响。已知这些病人是显露信息整合缺损的，如工作记忆、选择性记忆。由这个方向所收集到的材料，不仅可以澄清是否有或者有什么样特定型式的皮层振荡，其对于认知是真正重要的，而且也可以帮助我们理解常见脑疾病中认知损害的神经元回路基础。下面介绍这方面比较新的研究，它们对于精神病和神经病而言具有潜在的重要性。主要讲两种疾病［4］。

1．精神分裂症

认知缺损是精神分裂症神智病理学的中心问题。有作者争辩说，精神分裂症病人受损伤的关键性认知功能是注意力的分散以及思维关联的松散，这可能是由于脑内产生了异常的功能性连接。

总的说来，现存的经验性证据倾向于两个备选的解释方案。①β、γ波段同步化的减少与精神分裂症有关联。对此有多方面的证据，前额叶-顶叶回路的功能操控对于工作记忆以及注意作业中的抉择判断具有关键性的重要意义。②脑内网络的长距离连接出现缺损。这两点显然不是互相排斥的，两者都可以受疾病的影响。进一步设计实验来区分和澄清这两种情景，会对阐明精神分裂症神经回路的机制有重要启示［4］。

2．自闭症谱系障碍

自闭症谱系障碍（disorders in the autism spectrum，ASD）有社会交往的缺损以及不寻常的、受限制的活动。ASD个体通常显示“对于对象的部分持久入神”（persistent preoccupation with parts of objects）。病人有可能较好地完成需要集中注意局部细节的作业，但在完成一个需要注意大体意义的作业上则很差。ASD的特征似乎是，相对地不能整合片段信息到相关的整体［4］。

脑的失功能性连接已经引起了许多注意，不仅在精神分裂症和ASD的研究中，也在神经变性疾病以及其他神经病方面的研究中。这部分地是由于我们越来越多地感悟和认识到，至少认知功能是通过联合多数相互作用的脑结构而产生的。对于跟疾病相关联的认知缺损，不能仅仅局限于了解某一脑区的异常［4］。

由上文可以知道，脑的状态变化动态而且深刻地调节着在行为过程中动物皮层细胞的膜电位同步化。脑的状态变化是由内部产生的信号所调节的，因为这个状态变化在切除感觉神经之后依然存在。今后的研究将有很大的兴趣让我们来确定一下，在躯体感觉皮层中拂扫时所产生的脑状态变化，以及实施这种变化的中枢机制，也可以确定它们是否直接关系到大脑新皮层的神经调制，那或者是皮层的变化，或者是丘脑-皮层输入的变化［18］。

已有资料显示，当处在活性状态的时候，在小鼠桶状皮层内相互邻近的Ⅱ/Ⅲ层神经元变得更加独立，因此活动脑皮层状态的作用就是加强总的皮层信息加工能力，通过去掉膜电位的同步化相关，而又增加为发动动作电位所需的信噪比［18］。