用細(xì)胞內(nèi)電生理方法研究同步化機(jī)制，引出了神經(jīng)細(xì)胞電振蕩的現(xiàn)象；電振蕩也涉及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)機(jī)制，稀少同步振蕩（sparsely synchronized oscillation）可能是多種節(jié)律產(chǎn)生的共同基礎(chǔ)。有關(guān)皮層狀態(tài)和局部場電位以及上、下慢振蕩狀態(tài)的關(guān)系，見本章7.7.6。

有實(shí)驗(yàn)描述了在使用不同麻醉劑的情況下，從貓大腦皮層聯(lián)絡(luò)區(qū)5、7區(qū)，運(yùn)動區(qū)4、6區(qū)，視覺區(qū)16、17區(qū)細(xì)胞內(nèi)記錄到的新的慢振蕩，包括去極化和超極化的成分。記錄神經(jīng)元共254個，經(jīng)逆向及順向傳導(dǎo)鑒定，認(rèn)為屬于皮層-丘腦或胼胝體投射神經(jīng)元，它們接受來自丘腦核群的適當(dāng)?shù)膫魅耄步邮軐?cè)大腦皮層同一部位的投射。結(jié)果記錄到兩大類型的細(xì)胞——規(guī)律性鋒電位放電（主要是慢適應(yīng)的，也有快適應(yīng)的）神經(jīng)元，以及內(nèi)源性爆發(fā)性細(xì)胞。對21個慢振蕩性神經(jīng)元進(jìn)行了細(xì)胞內(nèi)染色，發(fā)現(xiàn)是錐體樣細(xì)胞，存在于大腦皮層Ⅲ—Ⅵ區(qū)，有豐富的基樹突支［11］。

在所記錄的神經(jīng)元中，有66%出現(xiàn)慢節(jié)律，此節(jié)律包括慢去極化包絡(luò)波（持續(xù)0.6～1.5s），有疊加于其上的完整動作電位或推測的樹突鋒電位，隨之以長時程超極化。這種交替的電位系列可以節(jié)律性地發(fā)生，其頻率低于1 Hz，其優(yōu)勢振蕩在0.3～0.41 Hz，在尿烷麻醉的動物中占了67%。多數(shù)神經(jīng)元（約70%）的這種覆蓋于慢去極化之上的重復(fù)發(fā)放鋒電位，可以被輕微的直流電超極化所阻斷；當(dāng)完整動作電位被除去以后，30%的細(xì)胞展示了相對小的（3～12 mV）快速、全或無特征的電位。當(dāng)Vm更加負(fù)于-90 mV時，這些快速鋒電位以全或無的形式被壓抑。當(dāng)Vm在-90 mV到-100 mV時，慢節(jié)律的去極化包絡(luò)波減少或被壓抑，而且當(dāng)給予NMDA阻斷劑氯胺酮（ketamin，又稱克他命或凱特明）以后，其時程會大大縮短。與此作用相一致，多數(shù)神經(jīng)元在氯胺酮和一氧化氮（NO）、氯胺酮和甲苯噻嗪的麻醉下，顯示較慢振蕩、較高頻率（0.6～1 Hz），比之在尿烷的麻醉下（0.3～0.4 Hz）［11］。

在18%的振蕩細(xì)胞中，慢節(jié)律主要包括重復(fù)性（15～30 Hz）的、相對短持續(xù)性（15～25 ms）的IPSP。把膜電位設(shè)置到比-70 mV為正的電位時，此IPSP可以顯露出來。慢振蕩、長持續(xù)時間（＝1s）的超極化相，在靜息膜電位時最容易看到，當(dāng)膜電位達(dá)到-100 mV時就減少。同時記錄另一個細(xì)胞，演示了兩個神經(jīng)元的同步性抑制時期。細(xì)胞內(nèi)給予氯離子或銫（Cs+）離子，可以減少周期性長持久性超極化的幅度及/或時程［11］。

新描寫的這種振蕩在所有被研究過的皮層腦區(qū)（感覺區(qū)、運(yùn)動區(qū)、聯(lián)絡(luò)區(qū)）都出現(xiàn)，表明這種振蕩是由形態(tài)學(xué)上和生理學(xué)上被鑒定的錐體細(xì)胞所展示的。根據(jù)它在錐體細(xì)胞上有節(jié)律（0.3 Hz）的重復(fù)性IPSP周期存在來推測，似乎也有局部回路的抑制性細(xì)胞參與其中。因?yàn)橛袑?shí)驗(yàn)表明，慢的細(xì)胞振蕩和腦電圖振蕩之間有緊密相關(guān)，所以又研究了大群體事件，在其他文章中還有報道。丘腦核的神經(jīng)細(xì)胞全部遭受損傷后，這種慢的皮層振蕩可以保留下來，而此丘腦部位是投射到被記錄的大腦皮層神經(jīng)元的。可見，在把皮層神經(jīng)元集群在一起，進(jìn)入0.3 Hz節(jié)律以及其他睡眠振蕩如梭狀波（7～14 Hz）和δ波1—4（1～4 Hz）方面，皮層振蕩顯示關(guān)鍵性作用［11］。

因此，關(guān)于睡眠振蕩的新看法是，它與其他不同的皮層節(jié)律都是由丘腦和皮層神經(jīng)元的內(nèi)源性電生理學(xué)特征產(chǎn)生的，都是由復(fù)雜的皮層-丘腦-皮層網(wǎng)絡(luò)的突觸相互作用造成的［11］。參看第8章。

皮層和丘腦-皮層活性是活性高度依賴的、多種活性型式的變動，這種活性可以有益于準(zhǔn)確的感覺-運(yùn)動加工，也可以不考慮外部影響而產(chǎn)生腦自己的節(jié)律，以至大部分處于脫機(jī)狀態(tài)。節(jié)律性活性的產(chǎn)生是神經(jīng)連接的刻板型式和膜及突觸的內(nèi)源性特點(diǎn)相互作用的結(jié)果。節(jié)律性產(chǎn)生的一般原理是：正反饋環(huán)（例如回返性興奮）與負(fù)反饋調(diào)控（例如抑制、適應(yīng)、突觸阻遏）的相互作用。狀態(tài)相關(guān)活性的實(shí)施，可以產(chǎn)生廣泛的效應(yīng)，促進(jìn)或阻斷感覺-運(yùn)動加工，可以產(chǎn)生病理性節(jié)律，而與精神、神經(jīng)疾病有關(guān)［12］。

貓丘腦的實(shí)驗(yàn)研究表明，丘腦神經(jīng)元的慢（0.5～4 Hz）振蕩是由于兩個內(nèi)源性電流的相互作用。有實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步研究了此內(nèi)源性丘腦振蕩的網(wǎng)絡(luò)調(diào)制，其頻率范圍是在EEG睡眠δ波的范圍里。研究認(rèn)為，皮層誘導(dǎo)的貓丘腦-皮層（thalamocortical）神經(jīng)元同步化和腦干膽堿能壓抑，都參與其中。實(shí)驗(yàn)用麻醉貓做了經(jīng)逆向鑒定的305個丘腦-皮層神經(jīng)元的細(xì)胞內(nèi)和細(xì)胞外記錄，丘腦核包括感覺、運(yùn)動、聯(lián)絡(luò)和髓板內(nèi)核［13］。

在靜息膜電位Vm為-60.3±0.4 mV（平均±SE）時，皮層刺激可以誘導(dǎo)梭狀波振蕩（7～14 Hz）。當(dāng)膜電位比-65 mV更負(fù)時，同樣的刺激觸發(fā)腦電圖0.5～4 Hz頻率范圍的振蕩，包括低閾值鋒電位（low threshold spike，LTS），隨之以后超極化電位（after hyperpolarization potential，AHP）。LTS-AHP順序是一個自我支撐的、頻率為1～2 Hz的節(jié)律性波，可以持續(xù)到皮層刺激結(jié)束以后。皮層-丘腦刺激能夠把在Vm負(fù)于-65 mV情況下自發(fā)發(fā)生的閾下慢振蕩（0.5～4 Hz），轉(zhuǎn)變?yōu)楣?jié)律性的LTS。這種LTS的頂上具有鈉鋒電位的爆發(fā)。皮層脈沖停止后，鋒電位爆發(fā)還持續(xù)10～20 s。當(dāng)鋒電位在幾個周期以后被阻尼（dampened）時，皮層脈沖也可以復(fù)活超極化激活的慢振蕩?！俺蓪Α鄙窠?jīng)元(1)的統(tǒng)計學(xué)自相關(guān)和互相關(guān)圖顯示，經(jīng)過一系列皮層-丘腦刺激以后，不相關(guān)的細(xì)胞變成同步化，同步化前后的神經(jīng)元都展示節(jié)律性（1～2 Hz）的爆發(fā)波或鋒電位串波。由于δ丘腦振蕩在睡眠晚期優(yōu)先出現(xiàn)，與作為早期睡眠期特征的梭狀波相比，它在更負(fù)的膜電位上被觸發(fā)。據(jù)此，研究者假設(shè)，丘腦-皮層神經(jīng)元的進(jìn)行性超極化，隨著EEG同步化睡眠的行為狀態(tài)而深化。根據(jù)以上情況，皮層誘導(dǎo)的慢振蕩依賴于突觸誘導(dǎo)的丘腦-皮層細(xì)胞超極化。因此，這種皮層-丘腦輸入的增強(qiáng)性影響，來自兩群丘腦GABA能細(xì)胞群的參與，也有網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的和局部神經(jīng)回路神經(jīng)元的參與。丘腦-皮層-丘腦環(huán)把丘腦振蕩細(xì)胞的鋒電位爆發(fā)波轉(zhuǎn)移到皮層靶，后者轉(zhuǎn)過來增強(qiáng)直接傳導(dǎo)通路及/或間接投射的振蕩，間接投射由網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)和局部回路的丘腦細(xì)胞轉(zhuǎn)送［13］。

在單胺耗竭的動物中，刺激中腦及腦橋膽堿能神經(jīng)核［臂旁核（PB）］及外背側(cè)被蓋（LDT）所引起的效應(yīng)，與皮層-丘腦脈沖的效果相反。PB/LDT刺激減少或壓抑丘腦細(xì)胞由高頻鋒電位組成的慢振蕩（1～4 Hz）爆發(fā)波。PB/LDT效應(yīng)與丘腦-皮層神經(jīng)元的去極化有關(guān)聯(lián)。皮層EEG反應(yīng)包括40 Hz皮層波的出現(xiàn)。PB/LDT刺激的短時程效應(yīng)持續(xù)2～3 s，伴有膜電導(dǎo)增加，可被膽堿型拮抗劑梅坎米胺（mecamylamine）所阻斷。在較少情況下，PB/LDT刺激誘導(dǎo)的慢振蕩破壞持續(xù)10～15 s。與PB/LDT刺激的效應(yīng)相類似，光刺激可以壓抑從背外側(cè)膝狀體神經(jīng)元記錄的爆發(fā)性神經(jīng)元慢振蕩，并被張力性放電所取代。以上結(jié)果證明，彌散性投射調(diào)制系統(tǒng)或感覺特異通道由于能夠使丘腦靶細(xì)胞去極化，因而可以去耦合同步神經(jīng)元，破壞慢振蕩，使丘腦-皮層神經(jīng)元準(zhǔn)備轉(zhuǎn)送來自感覺傳入的信息。這些結(jié)果表明，個別丘腦神經(jīng)元的慢振蕩是由于內(nèi)源性電流相互作用而形成的，神經(jīng)元群體的同步化以及作為其后果的宏觀節(jié)律性EEG電位的產(chǎn)生，依賴于丘腦-皮層網(wǎng)絡(luò)的性質(zhì)，包括抑制性丘腦細(xì)胞。振蕩的壓抑伴隨著從慢波睡眠到覺醒或快速眼動睡眠的轉(zhuǎn)變，大部分是由于彌散作用在丘腦-皮層系統(tǒng)的腦干-丘腦的膽堿能調(diào)制［13］。

越來越多的證據(jù)表明，大腦皮層的快速節(jié)律顯示稀少同步振蕩的特點(diǎn)(2)［4］。

有資料表明，尖波紋波似乎代表錐體細(xì)胞之間或中間神經(jīng)元之間的稀少同步振蕩，這種波顯示有高度的不規(guī)則性，而且其放電特點(diǎn)是比較低的放電頻率；比之場電位振蕩（100～200 Hz），它是中斷式的。在振蕩周期中，錐體細(xì)胞的放電一般在快速放電中間神經(jīng)元之前。Adrian等人首先在小腦上看到快節(jié)律（200 Hz）。我們知道，小腦對于精細(xì)運(yùn)動的調(diào)節(jié)是關(guān)鍵性的。有假說認(rèn)為，為了調(diào)控運(yùn)動，準(zhǔn)確的時程是非常需要的，浦肯野細(xì)胞間的同步化必須達(dá)到毫秒級別。近來的活體研究應(yīng)用多單位四極管記錄方法，發(fā)現(xiàn)浦肯野神經(jīng)元之間存在準(zhǔn)確的同步活動，直接與活體鼠小腦快速場電位的波動相關(guān)。這個小腦節(jié)律與稀少同步振蕩的特征是相一致的，場振蕩的頻率是150～250 Hz，而個別浦肯野細(xì)胞的平均放電頻率約為38 Hz。神經(jīng)元鋒電位的放電并不發(fā)生在場振蕩的多個間隔期。對鄰近浦肯野細(xì)胞的互相關(guān)研究顯示，在1～5 ms間有一個峰，但很快（兩個周期以內(nèi)）衰減為大的基線，這符合從高概率的神經(jīng)動力學(xué)所預(yù)料的。電流源密度分析提示，快振蕩發(fā)生在腦的含有浦肯野細(xì)胞胞體和近端樹突的那一層。這種準(zhǔn)確的同步并不被認(rèn)為是由于平行纖維輸入所產(chǎn)生的共同興奮，因?yàn)槠淇臻g范圍的關(guān)聯(lián)在兩個方向上是類似的，即沿著平行纖維的方向，以及不沿著平行纖維等的方向。更進(jìn)一步，用GYKI52466阻斷AMPA受體介導(dǎo)的興奮，真的能夠增加振蕩功率。另一方面，用印防己堿阻斷GABA受體，可以減少振蕩功率達(dá)到40%，提示突觸抑制也參與活體的200 Hz小腦振蕩。此結(jié)論和其他的研究有點(diǎn)不一樣。其他的研究報道說，離體小腦薄片的煙堿型乙酰膽堿受體（nAChR）激活引起100 Hz振蕩，縫隙連接顯示有關(guān)鍵作用。有學(xué)者在抑制性神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型中，復(fù)制了有特色的活體實(shí)驗(yàn)觀察，從而提出公式，可以大致預(yù)見神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的振蕩頻率。有意思的是，這個模型產(chǎn)生200 Hz振蕩，需要具有快時間常數(shù)的抑制性突觸后電位（IPSP）。這與離體測量成年動物小腦的抑制性電流是一致的（成年動物小腦的神經(jīng)元比發(fā)育動物小腦快3倍）。此外，應(yīng)用二區(qū)隔神經(jīng)元模型研究浦肯野細(xì)胞，令回返性抑制突觸靠近與粗樹突相對隔離的胞體。這種模型產(chǎn)生了一個相當(dāng)高程度的共振頻率，比之把浦肯野細(xì)胞看成單一區(qū)隔的模型。上述的結(jié)果表明，需要何等細(xì)致的突觸及細(xì)胞特征研究加在一起，才有可能集合起來確定具有不規(guī)則神經(jīng)元放電的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)振蕩［4］。

活體嗅球、海馬及新大腦皮層的γ節(jié)律都顯示一個特征，它們是稀少同步振蕩的。例如與LFP振蕩相比，單個神經(jīng)元放電是不規(guī)則而低頻率的。在離體新大腦皮層或海馬腦薄片上，乙酰膽堿受體的激活引起γ節(jié)律，錐體神經(jīng)元在5%的周期中放電。細(xì)胞內(nèi)電壓以及電壓鉗記錄的突觸電流提供了大量的證據(jù)，強(qiáng)烈支持γ和β振蕩產(chǎn)生的興奮-抑制回路機(jī)制。第一，單個神經(jīng)元動作電位的放電概率顯示了分布峰，其相位對應(yīng)于場電位的γ周期，其中錐體細(xì)胞領(lǐng)先于胞體周圍靶向的中間神經(jīng)元大約數(shù)毫秒（2～8 ms）。這意味著，抑制性神經(jīng)元滯后于錐體細(xì)胞約一個相位差（在活體為60°，在離體為55°或23°）。從定性的角度看，這種相位差與反饋抑制理論模型相符合。第二，與主要中間神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)的機(jī)制不同，突觸的興奮并不是張力性的。用活體全細(xì)胞電壓鉗測量方法研究海馬自發(fā)性γ振蕩或者氣味引起的梨狀皮層β振蕩時發(fā)現(xiàn)，神經(jīng)元的EPSC提前IPSC數(shù)毫秒。不論在活體還是離體研究中，都發(fā)現(xiàn)單個神經(jīng)元的興奮性和抑制性突觸的電導(dǎo)，以快速時程同時波動，這樣就導(dǎo)致了在γ周期范圍內(nèi)有相當(dāng)程度的周期間變異。第三，在海馬及新大腦皮層，如果阻斷興奮性AMPA受體或抑制性GABAA受體，則離體應(yīng)用碳酰膽堿可引導(dǎo)快速振蕩的取消。如果通過基因操控方法減少表達(dá)小清蛋白的快速放電中間神經(jīng)元上的谷氨酸突觸傳遞，則會導(dǎo)致γ振蕩減少。在這些實(shí)驗(yàn)中，阻斷AMPA受體就剝奪了皮層神經(jīng)回路主要的興奮性驅(qū)動，而這是其他方法所不能補(bǔ)償?shù)?。在具有中間神經(jīng)元的網(wǎng)絡(luò)中，興奮性驅(qū)動對于引起同步活動是必需的。然而，這些研究還強(qiáng)烈支持一種看法，即為了海馬、新大腦皮層的自我支持γ節(jié)律，存在著一個反饋回路機(jī)制。近來的光遺傳學(xué)研究發(fā)現(xiàn)，通過光刺激引起中間神經(jīng)元快速放電，可以導(dǎo)致γ振蕩，但它們大部分可由于AMPA受體和NMDA受體的阻斷而被取消，光刺激錐體細(xì)胞則增強(qiáng)γ振蕩。此結(jié)果提示，γ節(jié)律的產(chǎn)生依賴于通過驅(qū)動中間神經(jīng)元的錐體細(xì)胞反饋回路［4］。

在行為猴子運(yùn)動皮層的單個神經(jīng)元活動記錄中，可以明顯看到LFP中的β節(jié)律與神經(jīng)元的稀少同步振蕩行為相一致。對β波段振蕩的機(jī)制，研究得比較少，但它的產(chǎn)生可能類似于γ節(jié)律的回路機(jī)制。例如，在一些由相互作用的錐體神經(jīng)元及中間神經(jīng)元所組成、既具共性也有差別的Hodgkin-Huxley類型模型中，或展示γ波段網(wǎng)絡(luò)振蕩，或展示β波段振蕩。β節(jié)律的時間段對應(yīng)于鋒電位的后超極化，其持續(xù)時間為30～100 ms，這是從清醒猴運(yùn)動皮層神經(jīng)元的細(xì)胞內(nèi)記錄中發(fā)現(xiàn)的，較低頻率可能是由細(xì)胞和突觸的混合特征決定的，包括錐體細(xì)胞的電壓門控、鈣門控的鉀通道電流，以及回返性興奮性連接的強(qiáng)度，可能也包括特定中間神經(jīng)元的亞型。當(dāng)前還不完全清楚的是，回路的哪些特點(diǎn)是我們所需要的，它們能夠定量地解釋我們所看到的γ、β節(jié)律產(chǎn)生時興奮性和抑制性細(xì)胞間相應(yīng)的相位滯后關(guān)系。向前走的關(guān)鍵一步是，不僅要看到不同神經(jīng)元群體鋒電位放電的相位關(guān)系，也要看到整個神經(jīng)元群體放電活性的相位關(guān)系，以及靶神經(jīng)元群體中的突觸電流相位關(guān)系。有一篇很好的文章探討了離體膽堿能誘導(dǎo)的γ振蕩。研究者們測定了錐體細(xì)胞興奮性和抑制性突觸電流的相位分布，發(fā)現(xiàn)了3個不同類型的中間神經(jīng)元。有意思的是，我們從這個實(shí)驗(yàn)看到，在今后工作中，是否所看到的相位關(guān)系、放電活性以及突觸電流，都可以定量地被“稀少同步振蕩”理論所解釋［4］。

即使為了讓錐體細(xì)胞與中間神經(jīng)元相互作用產(chǎn)生快速振蕩，皮層神經(jīng)回路中的抑制性突觸輸入也特別適宜于介導(dǎo)準(zhǔn)確同步化。而某一靶向到胞體或樹突的錐體細(xì)胞亞群的中間神經(jīng)元，可以引起頻率和相位特異的形式。這樣一種設(shè)想與活體的結(jié)果相符。在γ頻率的振蕩中，抑制性突觸電位比之興奮性突觸電位含更多的功率，而且IPSP的掩護(hù)（barrage）——而不是興奮性突觸后電位（EPSP）的掩護(hù)，在同時記錄的錐體神經(jīng)元之間顯示明顯的同步化。從這種情況看來，高頻率LFP波動，較之突觸興奮有可能更多地反映了突觸抑制［4］。

總體來看，稀少同步振蕩的看法提供了一個有希望的新框架，它比耦合振蕩前進(jìn)了一步，耦合振蕩可以描寫大腦皮層的快速節(jié)律。這兩個理論可以作出不同的預(yù)測。特別是按照耦合振蕩模型，神經(jīng)元之間產(chǎn)生同步化的機(jī)制，優(yōu)先在于γ頻率波段；但與此相對比，稀少同步振蕩理論推測，γ節(jié)律主要發(fā)生在興奮性和抑制性神經(jīng)元之間，而中間神經(jīng)元之間的相互抑制天然是產(chǎn)生100 Hz振蕩的超快振蕩。重要的是，這種稀少同步振蕩理論使得我們有可能把群體振蕩和高度隨機(jī)性的單個神經(jīng)元放電兩者解釋到一起［4］。