神经元的电活动在重复相同任务时会有所不同，即使最终结果相同。最新研究表明，大量大脑活动的波动可以通过局部电场对神经元的影响来解释，这种现象被称为“电耦合”。这项发表在《脑皮层》上的发现进一步证实了大脑电场作为重要控制信号的作用。研究合著者Earl K. Miller表示：“大脑就像一片充满电气影响的海洋，但传统的脑功能观仅关注神经元之间的脉冲和突触连接。现在，越来越多的证据表明电场效应的重要性。”
在2022年和2023年，Miller和合著者Dimitris Pinotsis发表多项研究，显示大脑皮层的局部电场不仅比任何单个神经元更好地反映信息处理，而且这些电场也主动帮助组织执行该处理的神经脉冲。就像指挥家一样，电波可以引导大量神经元“演奏同一曲调”。他们进一步假设，电场通过细胞电耦合对大脑结构施加物理影响，使神经元的细胞骨架发生变化，从而优化它们的同步振荡。
由于电场可以被操控，Miller和Pinotsis在新研究中认为，理解它们如何影响瞬时大脑功能可能为改善疾病中的功能提供治疗干预的机会。研究人员表示：“适当设计的电场操控可以帮助患者重构故障电路。”在之前的研究中，他们分析了随时间平均的信号，记录到局部（或“中尺度”）电场的电活动虽然源于单个神经元，但最终代表并协调其功能。
新研究中，团队探讨了中尺度电场是否在工作记忆任务中提供这种电耦合影响，并且是逐次试验的。科学家们重新审视了记录到的数据，动物们在玩简单视频游戏时被展示了一个点并需记住其位置。研究者们记录了神经电活动及更多的局部场电位，计算了每一时刻的局部电场。
通过对数据的统计分析，发现神经活动在任务中有时会有显著的变化。使用被称为Granger因果关系的数学技术，显示电场对神经活动的影响方向明显偏向电场，表明电场在二者之间占主导地位。研究者们写道：“我们发现，从神经活动中产生的电场（通过局部场电位捕获）反过来以自上而下的方式影响这种活动（电耦合）。”此外，团队的建模和计算显示电场与神经活动之间的电耦合强度与局部场电位功率的变化成正比，进一步表明电场对神经活动的影响。“变异越大，自上而下的组织效应越明显，”研究者们补充道。“电场作为控制参数的图景逐渐清晰。”
这项研究得到了英国医学委员会、美国陆军研究办公室、美国海军研究办公室、Freedom Together基金会和Picower研究所的资助。
博主点评： 这项研究揭示了电场在神经活动中的重要作用，挑战了传统神经元连接的观点。电耦合为脑功能调节开辟了新方向，未来可能为神经疾病的治疗提供新思路。