研究表明，大脑的工作原理就像一个共振室

尚帕利莫基金会和葡萄牙米尼奥大学的研究人员利用超快和超高场磁共振成像技术，在大鼠大脑活动中发现了共振波的证据。他们的工作从简单的基本原理证明了这种波(很像吉他室里的声音振动)如何在遥远的大脑区域之间形成连接，这对健康的大脑功能至关重要。

神经成像研究已经有20多年了功能性磁共振磁共振成像(fMRI)，一种广泛用于捕捉实时视频的技术大脑活动-一直在检测相关大脑活动的全脑复杂模式，在广泛的神经和精神疾病中出现中断。这些模式是自发形成的，即使是在没有特定任务执行的休息状态下，不仅在人类身上，而且在包括猴子和啮齿动物在内的哺乳动物身上也发现了这种模式。

尽管这种相关激活的空间模式在世界各地的神经成像中心一直被检测到，但这些相关性的本质尚不清楚。

“我们还没有完全理解大脑是如何进行远距离交流的。我们知道远处的区域表现出信号相关性，它们与大脑功能有关，但我们并不完全了解它们的本质，”里斯本尚帕利莫基金会临床前MRI实验室的首席研究员Noam Shemesh说，他是一项发表在《柳叶刀》上的研究的资深作者自然通讯．

Shemesh强调说:“在这项研究中，我们想了解这些相关性背后的原因，并调查其中的机制。”

许多理论工作提出，这些模式可以用驻波(其波峰和波谷在空间中不移动)在空间中共振来解释大脑结构也就是说，通过类似于振动模式的波乐器．但由于fMRI的时间分辨率较差，每秒只能显示一到两张图像，因此几乎没有实验证据支持这一假设。

该研究的第一作者、来自米尼奥大学生命与健康科学研究所的Joana Cabral说:“如果我们能发现空间模式振荡，这将提供支持共振假设的证据。”她自2019年以来一直是Shemesh实验室的访问科学家。

因此，该团队所做的就是加快图像采集，他们发现，在遥远的大脑区域，信号实际上会随着时间一起振荡。“这些振荡模式看起来像乐器共振模式的高维模拟;它们类似于回响，类似于大脑中的回声，”卡布拉尔说。

Shemesh说:“我们的数据表明，复杂的空间模式是短暂而独立的底层模式振荡的结果，就像管弦乐队中单个乐器参与创造更复杂的作品一样。”

“不同的模式，每个都在不同的时间尺度和不同的波长对整体图像做出了贡献，可以加在一起，产生复杂的宏观模式，类似于实验观察到的模式[见下文]。据我们所知，这是第一次用fMRI捕捉到的大脑活动被重建为驻波的叠加，”他指出。

因此，这项新研究有力地指出了这些共振波或模式在大脑功能中的关键作用。作者认为，这些共振现象是正常大脑整体功能所需的连贯、协调的大脑活动的根源。

超快的核磁共振

研究人员在静息状态下检测了大鼠的共振模式，这意味着动物没有受到任何特定的外部刺激。事实上，不需要任何任务，因为正如前面提到的，即使我们(以及一般的哺乳动物)什么都不做，我们的大脑也会继续产生可以被功能磁共振成像捕捉到的自发活动模式。

为了可视化振动，研究人员在Shemesh的实验室中使用强大的超高场实验MRI扫描仪制作了活动的“视频”，并进行了该实验室不久前为其他目的开发的超快实验。

卡布拉尔回忆道:“诺姆和我在2019年见面，我们决定在他的实验室里用9.4特斯拉扫描仪以最大时间分辨率获取大脑活动的记录。”“诺姆设计了实验，弗朗西斯科·费尔南德斯(这项研究的第三作者)执行了实验，我做了数据分析和可视化。Noam成功地实现了每秒26张图像的时间分辨率，因此每10分钟扫描获得16,000张图像(而不是每秒一张图像的典型分辨率下的600张图像)。”

就像大海里的波浪

卡布拉尔说:“当我们第一次看到记录大脑活动的视频时，我们看到了清晰的活动波，就像海洋中的波浪一样，在皮层和纹状体(前脑的皮层下区域)内以复杂的模式传播。”

“我们发现，这些信号可以用少量宏观静止波或共振模式的叠加来描述，它们在时间上振荡。值得注意的是，每个驻波都覆盖了大脑的延伸区域，峰值分布在不同的皮层和皮层下结构中，形成了功能网络。”

研究人员在三种不同的情况下对大鼠进行了实验:镇静、轻度麻醉和深度麻醉。(事实上，这些动物在静息状态下被轻度麻醉，以避免给它们带来任何不适。)卡布拉尔指出:“在相同条件下扫描的大鼠，这些静止波的空间结构非常一致。”

Shemesh补充说:“我们证明了大脑功能网络是由共振现象驱动的。这解释了在慢成像时观察到的相关性。长期的大脑互动是由振荡和重复的信息流控制的。”

病理状态

他们还发现，增加麻醉剂的剂量会减少共振静止波的数量、频率和持续时间。如前所述，先前的研究表明，某些大脑激活模式在意识障碍中不断改变。所以这实验设计卡布拉尔说，实际上也是为了模拟不同的病理状态。

她指出:“在一些神经和精神疾病中，功能网络出现了中断。”她推测，如果在人类身上得到证实，他们的结果也可能导致使用共振模式作为疾病的生物标志物。

“我们的研究也为研究疾病提供了新的‘线索’，”Shemesh证实了这一点。“我们知道远程大脑的活动在疾病中受到强烈影响，但我们不知道为什么或如何影响。了解长期相互作用的机制可能会导致一种全新的疾病特征描述方式，并提示可能需要的治疗类型:例如，如果患者缺少特定的共振模式，我们可能想要找到刺激该特定模式的方法。”

研究人员认为，显然还需要做更多的工作来证实所有这些结果，以及它们是否可以在人类身上复制。但是卡布拉尔说:“一旦我们更好地理解了功能网络的本质，我们就可以设计出明智的策略来调节这些网络模式。”