Cell：利用两种超敏感光学仪器发现三种新型脑电波

来源：100医药网 2025-07-21 16:55

当电活动在脑内传播时，其运动方式如同池塘中的涟漪。这些 脑电波 的运动轨迹首次于20世纪20年代被观察到。如今，在一项新的研究中，借助于斯坦福大学领导的一个研究团队研发的仪器与技术，其运动轨迹比以往任何时候都更加清晰。

这项技术涉及两种超敏感光学仪器，能够检测到经过基因工程改造的称为 电压指示剂（voltage indicators） 的蛋白质信号，从而揭示小鼠体内脑神经元脑电波活动。相关研究结果发表于《细胞》杂志。

尽管目前仅限于研究动物，但这一进展已展现出其潜力。该研究团队利用这些仪器发现了三种新型脑电波，其运动方式此前从未被观察到。

论文通讯作者、斯坦福大学人文与科学学院生物学与应用物理学教授Mark J. Schnitzer说道， 我们正在获得大脑内电波传播的广泛视角。我们能够同时观察多个脑区，并看到脑电波以细胞类型特异性方式扫过大脑最外层的神经组织 皮层。

与使用通过电流检测大脑活动特定区域的电极不同，Schnitzer团队开发的仪器采用光学技术（基于光的成像技术），能够实时成像脑电波的传播过程。这些仪器还能聚焦于与一两种特定神经元类型相关的脑电波。

自德国医生Hans Berger于一个多世纪前首次在人类身上发现脑电波以来，科学家们一直致力于理解脑电波的机制。Berger当时使用电极进行了一种早期版本的脑电图（EEG）检测。

科学家们如今知道这些脑电波的异常与多种疾病相关，包括、、癫痫和精神分裂症。然而，区分哪些神经元类型驱动哪些类型的脑电波始终是一大挑战。

这一最新进展或能解决该问题。它源于对名为TEMPO的光学技术逾十年的研究，该技术首次于2016年由Schnitzer与斯坦福大学医学院神经生物学与生物工程学教授Michael Z. Lin领衔的一个研究团队在一篇论文（Cell, doi:10.1016/j.cell.2016.11.021）中报道过。

在这项新的研究中，Schnitzer团队展示了两种互补的新型TEMPO仪器：一种光纤传感器，其灵敏度是之前版本的十倍，能够追踪小鼠在正常活动时大脑的电活动； 以及一种光学显微镜，该设备可提供8毫米宽的脑部图像，并显示小鼠新皮层（负责感知和认知等高级功能的大脑层）大部分区域的神经活动。

借助这项技术，Schnitzer团队观察到了此前从未记录过的多种波形，包括两种类型的以垂直方向传播的 波 与警觉性脑活动相关的较高频率波。他们还发现了一种与记忆处理相关的低频 波，它不仅像之前所知的那样沿一个方向传播，还可反向传播。尽管目前尚不清楚这种新方向性波形可能意味着什么，但有一种理论认为， 波可能 反向传播（backpropagating） ，类似于人工智能模型中使用的一种学习机制。

论文共同作者、Schnitzer实验室工程主任Radosław Chrapkiewicz说道， 大脑似乎有一个内部时钟来同步神经活动，但这些传播波也可能主动重组跨越大范围的神经回路，而不仅仅是局部连接。这可能在未来生物启发的人工智能模型中发挥重要作用。

还需要开展进一步研究以理解这些发现的意义，但这项新技术很可能为神经科学以及人工智能的发展开辟许多新途径。

论文第一作者Simon Haziza说道， 在神经科学领域，理解病理学和脑内不同动态方面有许多非常重要的应用。我们只是刚刚开始探索。 （100yiyao.com）

参考文献：

Simon Haziza et al, , Cell (2025). DOI: 10.1016/j.cell.2025.06.028.