新研究表明人脑中的电流可以使用简单的网络数学来预测

通过庞大的神经纤维网络，电信号不断在大脑中传播。这种复杂的活动最终导致了我们的思想、情绪和行为，但当出现问题时，也可能导致心理健康和神经系统问题。

脑刺激是治疗此类疾病的新兴疗法。用电脉冲或磁脉冲刺激大脑的某个区域将通过您的神经连接网络触发一连串的信号。

然而，目前，科学家们还不太确定这些级联如何影响整个大脑的活动 - 这是限制大脑刺激疗法益处的重要缺失部分。

在7月<>日发表在《神经元》杂志上的最新研究中，我们发现大脑刺激的传播可以用网络数学来预测。

追踪大脑中的电信号

研究人脑中的沟通是很困难的。这是因为电信号在大脑的一个部分和另一个部分之间以千分之一秒的尺度移动得非常快。

更复杂的是，信号通过一个极其复杂的神经纤维网络进行通信，该网络将所有大脑区域连接起来。这些问题使科学家甚至难以观察通过大脑传播的信号。

然而，在非常特殊和受控的情况下，我们可以使用侵入性电极来精确跟踪大脑信号的传播。侵入性电极是通过手术插入同意的患者大脑的器械。

重要的是要强调这种类型的侵入性手术只能在非常特殊的情况下进行，当主要目标是帮助患者时。在我们的案例中，患者是患有严重癫痫的人。当癫痫患者对药物没有反应时，他们可以选择使用电极来帮助医生更多地了解他们大脑中可能发生的情况。

我们的研究基于北美，亚洲和欧洲550多家医院的20名癫痫患者志愿者。

电极提供了一种用电脉冲轻轻刺激大脑区域的方法，同时记录患者的大脑活动。我们使用放置在大脑不同位置的电极数据来跟踪电脉冲从一个区域到另一个区域的通信。

作为我们研究的最后一个组成部分，我们使用MRI扫描来重建人脑的神经纤维网络，称为连接体。这为我们提供了一个物理线路模型，电信号通过该模型在大脑中传递。

网络通信的数学

那么，信号是如何通过连接体的复杂布线来传达的呢?

一个简单的可能性是信号通过连接体中最直接的路径传播。在网络术语中，这意味着电脉冲通过它们之间的中间区域的最短路径从一个区域传递到另一个区域。

另一个想法是信号通过网络扩散传播。要理解这一点，请考虑水如何沿着管道网络流动。

每次水到达网络中的交汇点时，水流都会沿着发散的路径分开。沿水行进的更多交汇点意味着更多的分裂，并且沿任何给定路径的流量都会变弱。但是，如果一些分流路径再次在下游相遇，则水流强度将再次增加。在这个类比中，网络中的所有连接(管道)都有助于塑造信号(水)流，而不仅仅是沿着最直接路径的连接。

我们的发现

这两种类型的网络通信 - 最短路径与扩散流 - 是解释电信号如何在脑刺激后通过连接体的线路级联的两个相互竞争的假设。今天，科学家们不确定哪种假设最符合大脑中发生的事情。

我们的研究是最早试图解决这一争论的研究之一。为此，我们询问最短路径或扩散是否最能预测电信号传播，由患者大脑中的电极测量。

在分析数据后，我们发现了支持扩散流假说的证据。这意味着更多的神经连接 - 与沿着最短路径行进的神经连接相比 - 决定了大脑刺激如何沿着连接体级联。

这对科学家来说是重要的信息，因为它有助于我们了解神经连接的物理连接如何有助于大脑活动和功能。

下一步是什么?

我们的研究是同类研究中的第一次，需要更多的工作来证实我们的发现。我们希望我们对大脑交流的理解取得进展，也将帮助临床科学家为心理健康问题设计更好的脑刺激治疗方法。

大脑刺激可以帮助“恢复”大脑区域之间出现故障的通信。例如，非侵入性刺激(在颅骨外进行，无需手术)是澳大利亚可用的重度抑郁症治疗方法。

在我们未来的研究中，我们将调查这里报告的发现是否可用于提高这种脑刺激治疗的治疗效果。

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