Gammabølge - Gamma wave

For ikke å forveksle med gammastråler .
Image
Gammabølger

En gammabølge eller gammarytme er et mønster av nevral oscillasjon hos mennesker med en frekvens mellom 25 og 140 Hz , hvor 40 Hz- punktet er spesielt interessant. Gamarytmer er korrelert med storstilt hjernens nettverksaktivitet og kognitive fenomener som arbeidsminne , oppmerksomhet og perseptuell gruppering , og kan økes i amplitude via meditasjon eller nevrostimulering . Endret gamma -aktivitet har blitt observert i mange humør- og kognitive lidelser som Alzheimers sykdom , epilepsi og schizofreni .

Oppdagelse

Gammabølger kan detekteres ved elektroencefalografi eller magnetoencefalografi . En av de tidligste rapportene om gammabølgeaktivitet ble registrert fra den visuelle cortexen til våkne aper. Deretter har betydelig forskningsaktivitet konsentrert seg om gammaaktivitet i visuell cortex.

Gamma-aktivitet har også blitt oppdaget og studert på tvers av premotoriske , parietale , tidsmessige og frontale kortikale regioner Gamma-bølger utgjør en vanlig klasse av oscillerende aktivitet i nevroner som tilhører den kortikobasale ganglia-thalamo-kortikale sløyfen . Vanligvis er denne aktiviteten forstått å gjenspeile feedforward -forbindelser mellom forskjellige hjerneområder, i motsetning til alfa -bølgefeedback på tvers av de samme regionene. Gamma-oscillasjoner har også vist seg å korrelere med avfyring av enkeltneuroner, for det meste hemmende nevroner, under alle tilstandene i syklusen for våkne-søvn. Gammabølgeaktivitet er mest fremtredende under våken, oppmerksom våkenhet. Imidlertid er mekanismene og substratene som gammaaktivitet kan bidra til å generere forskjellige bevissthetstilstander fortsatt ukjente.

Kontrovers

Noen forskere bestrider gyldigheten eller betydningen av gammabølgeaktivitet som oppdages av hodebunnen EEG , fordi frekvensbåndet til gammabølger overlapper det elektromyografiske frekvensbåndet. Dermed kan gammasignalopptak være forurenset av muskelaktivitet. Studier som bruker lokale muskellammeteknikker har bekreftet at EEG -opptak inneholder EMG -signal, og disse signalene kan spores til lokal motorisk dynamikk, for eksempel sakkadefrekvens eller andre motoriske handlinger som involverer hodet. Fremskritt innen signalbehandling og separasjon, for eksempel anvendelse av uavhengig komponentanalyse eller andre teknikker basert på romlig filtrering , har blitt foreslått for å redusere tilstedeværelsen av EMG -artefakter.

Funksjon

Bevisst oppfatning

Elektrokortikografisk film som viser endringer i høyfrekvent bredbånds gammaaktivitet i bestemte kortikale regioner når visuelle stimuli presenteres under en ansikts-/stedsnavnoppgave.

Gammabølger kan delta i dannelsen av koherent, enhetlig oppfatning , også kjent som problemet med kombinasjon i bindingsproblemet , på grunn av deres tilsynelatende synkronisering av nevrale avfyringshastigheter på tvers av forskjellige hjerneområder. 40 Hz gamma-bølger ble først foreslått å delta i visuell bevissthet i 1988, .eg, to neuroner svinger synkront (selv om de ikke er direkte forbundet) når et enkelt eksternt objekt stimulerer deres respektive mottakelige felt. Etterfølgende eksperimenter av mange andre demonstrerte dette fenomenet i et bredt spekter av visuell kognisjon. Spesielt hevdet Francis Crick og Christof Koch i 1990 at det er en betydelig sammenheng mellom det bindende problemet og problemet med visuell bevissthet, og som et resultat at synkrone 40 Hz -svingninger kan være årsakssammenhengende både i visuell bevissthet og i visuell bevissthet bindende. Senere uttrykte de samme forfatterne skepsis til ideen om at 40 Hz-svingninger er en tilstrekkelig betingelse for visuell bevissthet.

En rekke eksperimenter utført av Rodolfo Llinás støtter en hypotese om at grunnlaget for bevissthet i våkne tilstander og drømming er 40 Hz-svingninger i hele den kortikale mantelen i form av thalamokortisk iterativ tilbakevendende aktivitet. I to artikler med tittelen "Sammenhengende 40 Hz oscillasjon karakteriserer drømmetilstand hos mennesker" (Rodolfo Llinás og Urs Ribary, Proc Natl Acad Sci USA 90: 2078-2081, 1993) og "Of dreaming and wakefulness" (Llinas & Pare, 1991) , Foreslår Llinás at konjunksjonen til en enkelt kognitiv hendelse kan oppstå ved samtidig summering av spesifikk og uspesifikk 40 Hz aktivitet langs den radiale dendritiske aksen til gitte kortikale elementer, og at resonansen moduleres av hjernestammen og gis innhold av sensorisk innspill i våken tilstand og egen aktivitet under drømmingen. I følge Llinás 'hypotese, kjent som thalamokortisk dialoghypotese for bevissthet, foreslås 40-Hz-svingningen sett i våkenhet og i drømmer for å være et erkjennelseskorrelat, som følge av koherent 40-Hz-resonans mellom thalamokortisk-spesifikke og uspesifikke sløyfer. I Llinás & Ribary (1993) foreslår forfatterne at de spesifikke løkkene gir innholdet i kognisjon, og at en uspesifikk sløyfe gir den tidsmessige bindingen som kreves for kognitiv opplevelses enhet.

En hovedartikkel av Andreas K. Engel et al . i tidsskriftet Consciousness and Cognition (1999) som argumenterer for tidsmessig synkronisering som grunnlag for bevissthet, definerer gammabølgehypotesen slik:

Hypotesen er at synkronisering av nevronutladninger kan tjene til integrering av distribuerte nevroner i cellesamlinger, og at denne prosessen kan ligge til grunn for valg av persepsjonelt og atferdsrelevant informasjon.

Merk følgende

Den foreslåtte mekanismen er at gammabølger forholder seg til nevral bevissthet via mekanismen for bevisst oppmerksomhet:

Det foreslåtte svaret ligger i en bølge som, med opprinnelse i thalamus, feier hjernen fra forsiden til baksiden, 40 ganger i sekundet, og trekker forskjellige neuronale kretser i synk med forskriften [sic], og derved bringer forskriften [sic] inn i oppmerksom forgrunn. Hvis thalamus er skadet en liten bit, stopper denne bølgen, bevisst bevissthet dannes ikke, og pasienten sklir i dyp koma.

Påstanden er således at når alle disse nevronklyngene svinger sammen i løpet av disse forbigående perioder med synkronisert avfyring, hjelper de med å få frem minner og assosiasjoner fra den visuelle oppfatningen til andre forestillinger. Dette bringer en distribuert matrise av kognitive prosesser sammen for å generere en sammenhengende, samordnet kognitiv handling, for eksempel persepsjon. Dette har ført til teorier om at gammabølger er forbundet med å løse bindingsproblemet .

Gammabølger observeres som nevral synkronisering fra visuelle signaler i både bevisste og subliminale stimuli. Denne forskningen belyser også hvordan nevral synkronisering kan forklare stokastisk resonans i nervesystemet.

Klinisk relevans

Humørsykdommer

Endret gammabølgeaktivitet er forbundet med humørsykdommer som alvorlig depresjon eller bipolar lidelse og kan være en potensiell biomarkør for å skille mellom unipolare og bipolare lidelser. For eksempel viser mennesker med høy depresjonspoeng differensial gammasignalering når de utfører emosjonelle, romlige eller aritmetiske oppgaver. Økt gammasignalering observeres også i hjerneområder som deltar i standardmodusnettverket , som normalt undertrykkes under oppgaver som krever betydelig oppmerksomhet. Gnagermodeller av depresjonslignende atferd viser også mangelfulle gammarytmer.

Schizofreni

Redusert gammabølge-aktivitet observeres ved schizofreni . Nærmere bestemt reduseres amplituden til gammasvingninger, det samme er synkroniseringen av forskjellige hjerneområder som er involvert i oppgaver som visuell oddball og Gestalt -persepsjon . Personer med schizofreni utfører dårligere på disse atferdsoppgavene, som er knyttet til persepsjon og kontinuerlig gjenkjenningshukommelse. Det nevrobiologiske grunnlaget for gammadysfunksjon ved schizofreni antas å ligge hos GABAergic interneuroner involvert i kjente hjernebølgerytmegenererende nettverk. Antipsykotisk behandling, som reduserer noen atferdssymptomer ved schizofreni, gjenoppretter ikke gammasynkronien til normale nivåer.

Epilepsi

Gammasvingninger observeres i de fleste anfall og kan bidra til at de begynner i epilepsi . Visuelle stimuli som store, høykontrastgitter som er kjent for å utløse anfall ved lysfølsom epilepsi driver også gammasvingninger i visuell cortex. Under en fokal anfallshendelse observeres alltid maksimal gamma -rytmesynkronisering av interneuroner i anfallsdebutsonen , og synkronisering forplanter seg fra begynnelsessonen over hele den epileptogene sonen.

Alzheimers sykdom

Forbedret gammabåndsstyrke og forsinket gammarespons har blitt observert hos pasienter med Alzheimers sykdom (AD). Interessant nok viser tg APP-PS1 musemodell av AD redusert gammasvingningseffekt i lateral entorhinal cortex , som overfører forskjellige sensoriske innganger til hippocampus og dermed deltar i minneprosesser analoge med de som påvirkes av menneskelig AD. Redusert langsom gammaeffekt i hippocampus har også blitt observert i 3xTg -musemodellen til AD.

Gammastimulering kan ha terapeutisk potensial for AD og andre nevrodegenerative sykdommer. Optogenetisk stimulering av hurtigspikende interneuroner i gammabølgefrekvensområdet ble først demonstrert hos mus i 2009. Entrainement eller synkronisering av hippocampus gammasvingninger og spiking til 40 Hz via ikke-invasive stimuli i gammafrekvensbåndet, for eksempel blinkende lys eller pulser av lyd, reduserer amyloid beta- belastning og aktiverer mikroglia i den veletablerte 5XFAD-musemodellen av AD. Påfølgende menneskelige kliniske studier med gammabåndstimulering har vist milde kognitive forbedringer hos AD -pasienter som har blitt utsatt for lys, lyd eller taktil stimuli i 40 Hz -området. Imidlertid er de nøyaktige molekylære og cellulære mekanismene som gamma -båndstimulering forbedrer AD -patologi ukjent.

Fragilt X syndrom

Overfølsomhet og hukommelsesunderskudd i Fragile X syndrom kan være knyttet til gammarytmeavvik i sensorisk cortex og hippocampus . For eksempel har redusert synkronisering av gammasvingninger blitt observert i auditiv cortex av FXS -pasienter. FMR1 knockout rotte modell av FXS viser et økt forhold mellom langsom (~ 25-50 Hz) til rask (~ 55-100 Hz) gammabølger.

Meditasjon og oppmerksomhet

Gamma-bølgesynkronisering med høy amplitude kan være selvindusert via meditasjon . Langsiktige utøvere av meditasjon som tibetanske buddhistiske munker viser både økt gamma-båndaktivitet ved baseline, så vel som betydelige økninger i gammasynkronisering under meditasjon, bestemt av hodebunnen EEG. fMRI på de samme munkene avslørte større aktivering av høyre insular cortex og caudate nucleus under meditasjon. De nevrobiologiske mekanismene for gammasynkroninduksjon er dermed svært plastiske . Dette beviset kan støtte hypotesen om at ens følelse av bevissthet, stressmestringsevne og fokus, som ofte sies å være forsterket etter meditasjon, alle er underbygget av gammaaktivitet. På det årlige møtet i Society for Neuroscience i 2005 kommenterte den nåværende Dalai Lama at hvis nevrovitenskap kunne foreslå en måte å indusere de psykologiske og biologiske fordelene ved meditasjon uten intensiv øvelse, ville han "være en entusiastisk frivillig."

Se også

Hjernebølger

Eksterne linker

Referanser