研究人员最近在理解大脑如何处理和整合信息方面取得了重大进展，解决了神经科学中的一个长期谜团。
多年来，科学家认为大脑以层级结构处理信息，各个区域专门负责特定功能。然而，这些区域如何沟通并整合信息以创建统一理解的方式仍然不明确。现在，加州大学圣地亚哥分校医学院的一个团队通过研究神经元在阅读文本时如何在人体大脑中同步，从而在揭示这个谜团方面取得了实质性进展。他们的研究结果详细刊登在自然人类行为中，构成了加州大学圣地亚哥分校医学院博士生雅各布·加勒特的论文的一部分。
“理解大脑的活动与我们的意识体验之间的关系是现代神经科学中一个关键的未解决问题，”资深研究作者埃里克·哈尔格伦博士说道，他是加州大学圣地亚哥分校医学院神经科学和放射学系的教授。“当你阅读时，你的大脑必须将字母转化为一个单词，然后将其与一个概念或物体相连接。我们的研究支持这样一个观点：这是通过多个大脑区域的同步激活实现的。”
这种同步被称为“共振”，被认为对将各种信息片段结合在一起形成清晰的理解至关重要。在啮齿动物的研究中，已观察到共振现象出现在负责记忆形成的海马体中。在人类中，哈尔格伦及其同事之前已证明，整个大脑皮层也会发生共振。
为了研究共振的机制，Ilya Verzhbinsky，来自加州大学圣地亚哥分校医学科学家培训项目的医学博士/博士候选人，进行了一项研究，发表于美国国家科学院院刊，重点关注在波动期间，位于不同皮层区域的单个神经元发火时发生的情况。这项当前研究扩展了范围，探讨了皮层中数十亿神经元如何协调发火以有效处理信息。
“皮层中有160亿个神经元——是全球人口的两倍——大脑就像一个巨大的合唱团，必须组织起来才能发出统一的声音，”哈尔格伦解释道。“就像合唱团必须和谐地唱歌一样，我们的神经元需要共同工作，以产生一个单一的思想或行为。共振类似于神经元在和弦和节奏中表演，使我们能够整合信息并理解周围环境。当波动发生时，大约三分之二的皮层神经元对同步，产生惊人的强功效。”
由于非侵入性脑成像的限制，观察人类的共振一直颇具挑战。为了克服这一障碍，研究人员采用了颅内脑电图（EEG），从颅骨内部捕捉大脑的电活动。该研究的参与者是13名耐药性癫痫患者，他们在治疗过程中已被监测EEG，这使得与典型非侵入性方法相比，能更深入地分析大脑活动。
参与者对一系列动物名称与随机辅音或无意义单词的字符串进行观察，然后按下一个按钮，表示他们看到的动物名称。在这些评估过程中，研究人员确定了三个认知阶段：初始阶段，在没有意识的情况下，视觉处理发生在皮层区域；第二阶段，通过共振将信息“传播”到其他皮层区域以进行更复杂的处理；最后一个阶段，共振促进了这些信息在意识和行为反应（按按钮）中的整合。
在整个过程中，观察到参与这些认知过程的各个大脑区域之间的共振，当参与者阅读实际单词时，共振甚至更强。
这些发现的影响可能对解决神经和精神障碍（如精神分裂症）具有重要意义，这些障碍的特点是信息处理和整合的中断。
“通过更好地理解典型大脑如何整合信息，也许会更容易发现帮助再整合受这些障碍影响的心智的方法，”哈尔格伦表示。
总体而言，这项研究有助于更广泛地理解大脑功能与人类体验之间的联系。
“这个探究触及人类生活的一个基本方面，突出心智与大脑之间的关系，”哈尔格伦表示。“深入了解我们大脑的神经元如何协作，可能使我们对意识本身有更好的理解。”
参与该研究的其他合著者还包括加州大学圣地亚哥分校医学院的埃里克·凯斯特纳、威斯康星大学医学院的查德·卡尔森、纽约大学朗戈尼医学院的维尔纳·K·多伊尔和奥林·德文斯基以及盖瑟尔医学院的托马斯·西森。
该研究得到了国家卫生研究院（MH117155, T32MH020002）和海军研究办公室（N00014-16-1-2829）的资助。
