eLife综述：gamma神经振荡节律-大脑健康的守护者

摘要：大脑活动中的伽马振荡（30 - 150Hz）已经被研究了八十多年。尽管在过去三十年中，人们在试图理解其功能作用方面取得了显著进展，但关于它们在感知、认知和行为中的因果关系，仍有待进一步探索。在本文中，我们首先回顾了产生伽马振荡的基本神经机制，然后聚焦于两个主要研究方向。第一个方向探讨了关于伽马振荡在大脑信息处理中功能作用的主要理论，同时也突出了一些关键的不同观点。第二个方向回顾了一个新的研究方向，该方向提出伽马振荡具有治疗作用，即通过感觉刺激（GENUS）来实现伽马节律的同步。我们广泛讨论了 GENUS 的积极发现以及可重复性方面的问题。除了探讨伽马振荡的功能和治疗作用之外，我们还提出了第三个研究方向，即由皮层回路内源性产生的伽马振荡，对于维持健康的回路功能至关重要。我们提出，四类中间神经元，即表达小白蛋白（PV）、血管活性肠肽（VIP）、生长抑素（SST）和一氧化氮合酶（NOS）的中间神经元，利用内源性伽马振荡来进行主动的血管运动控制，从而维持神经元组织的稳态。根据这一假设，我们称之为 GAMER（伽马介导的回路维持），伽马振荡充当一种 “调节” 节律，能够有效地将神经活动转化为血管反应，这对于最佳的神经代谢过程至关重要。GAMER 是 GENUS 的延伸，其中内源性而非同步化的伽马振荡起着基础性作用。最后，我们提出了几个关键实验来验证 GAMER 假设。

1. 引言

伽马振荡是大脑活动的节律性调制，典型频率范围在 30 至 120 - 150 赫兹之间。不同研究对该频率带的精确界定有所差异，有些研究将其限制在 30 - 90 赫兹，而另一些研究则将其扩展到 30 - 120 赫兹，甚至 30 - 150 赫兹。尽管伽马振荡已被研究了八十多年，但它仍然是一种神秘的大脑节律，其功能作用尚未完全明晰。与其他大脑节律相比，伽马振荡相对较快，其周期（7 - 33 毫秒）与神经元膜的相关时间常数相匹配，并且与突触可塑性的重要时间窗口相符。因此，人们多次提出，伽马振荡对感知和行为过程具有重要意义。

研究大脑信号中的伽马振荡颇具难度，原因众多。首先，该领域术语较为混乱，“伽马” 一词用于描述多种不同现象。伽马频段活动不应与伽马振荡混淆。虽然前者指频谱特征落在伽马频率范围内的任何信号，但这并不一定意味着它就是一种振荡。例如，脑电图（EEG）中与视觉微扫视相关的 “扫视尖峰电位”，其典型的宽带特征落在伽马范围内，但它并非振荡，因为该信号缺乏周期性。相比之下，我们和其他学者将伽马振荡定义为一种周期性信号调制，通常局限于伽马频段的一个狭窄区域。

另一个术语问题涉及伽马振荡与外部刺激（或缺乏外部刺激）的关系。在记录多个试验并进行频域和时域分析时，这一点至关重要。一般来说，诱发振荡在每次记录的试验中，相对于刺激时间都有一个精确的相位。当刺激也是周期性的时，这被称为同步（图 1A），即振荡紧密跟随节律性输入。在时频表示（TFR）中，振荡表现为功率升高的区域，在功率谱密度（PSD，也称为频谱）中则表现为刺激频率处的明显峰值。重要的是，内部动力学与刺激之间也可能存在广义的 m 对 n 锁相，使得两个频率的比值为有理数。例如，40 赫兹的刺激可以诱发 20 赫兹的振荡。

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图1 伽马振荡与刺激相关的术语

此外，当信号在多次试验中进行平均，并与刺激开始时间对齐时，会得到一个事件相关电位（ERP），其幅度较大，且有明显的周期性调制，与同步刺激对齐。相比之下，诱发性伽马振荡（图 1B）是在刺激为非周期性或频率明显较低时，由内部回路机制产生的。例如，漂移光栅的白色条纹周期性地通过初级视觉皮层神经元的感受野，会产生频率远高于光栅时间频率的伽马振荡爆发（图 1B）。在这种情况下，振荡在频域（TFR 和 PSD）中仍然可见，但其频率与光栅的慢刺激频率不匹配。此外，在每次试验中，伽马振荡的相位与刺激时间无关，因此 ERP 幅度会大幅减小。对于大量试验，ERP 通常不会在伽马频率处显示出任何调制。最后，我们将自发性伽马（图 1C）定义为在持续的 “自发性” 大脑活动中，没有任何外部刺激时产生的伽马振荡。在这种情况下，“单次试验” 分析（分析单个时间序列）可以揭示在不同频率和时间点的强烈伽马爆发（图 1C），但这在 PSD 中可能并不明显。因此，频谱（PSD）中没有明显的峰值并不意味着数据中不存在强烈的伽马爆发。此外，如果对多个自发时间序列进行平均，平均值（类似于 ERP）也不会显示出任何明显的成分，并且幅度较低。

在本综述中，我们将所有非同步的伽马振荡类型都称为 “内源性” 伽马振荡。这类振荡必然需要一个内部的、内源性的回路机制来产生它们。相比之下，同步伽马振荡不需要内部生成机制的存在，系统只需跟随作为输入提供的外部节律即可。

重要的是，虽然在功率谱中具有明显峰值的窄带伽马振荡可能取决于特定条件，如刺激强度、刺激属性（例如视觉对比度）或动物的行为状态，但频谱中没有峰值并不意味着不存在伽马振荡。只有时频表示（TFR），如频谱图或尺度图，才能揭示伽马振荡的真实表达，展现其潜在的爆发过程。在图2 中，我们展示了一些例子，当伽马爆发在时间和频率上分散（图 2A），或者不同频率的系统性爆发在频域上重叠，消除了明显的峰值时（图 2B），频谱（PSD）并不能清楚地反映潜在的爆发性伽马过程。为了使 PSD 显示出一个稳健的峰值，振荡需要是窄带的，相对于背景有显著的功率增加，并且在分析窗口内以稳定的频率持续足够长的时间（图 2C）。

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图2 频谱（PSD）并不总是能揭示信号中伽马振荡的存在

为了正确评估在特定分析窗口中伽马振荡的表达，关键是要避免依赖 PSD，而应使用 TFR。然而，TFR也带来了重大挑战。在过去十年中，人们越来越意识到，与其他节律不同，伽马振荡并非长时间以连续、持续的过程出现。相反，伽马振荡通常由回路发生器产生，表现为短暂的振荡爆发，也称为 “包”。虽然在平均（跨试验）的 TFR 中，伽马振荡可能在数百毫秒内模拟出一个功率增加的连续频带，但单次试验分析经常揭示出它是由稀疏、不同的爆发产生的，每次爆发在时间和频率上都有严格的限制。这就产生了一个方法学问题：由于伽马爆发的有限性，很难在时间和频率上同时对其进行定位。依赖于傅里叶变换或单一小波的传统分析技术并不理想，会掩盖复杂神经信号中伽马爆发的表达。

上述检测和正确表征伽马爆发（作为由伽马发生器产生的事件）的困难，即便没有阻碍，也至少减缓了阐明伽马振荡功能作用的进展。幸运的是，还存在其他频谱估计技术。例如，匹配追踪是一种创新的时频表示方法，它将信号分解为从一个非常大的字典中选择的原子（局部振荡），这些原子可以根据预期在信号中发现的形状进行定制。该方法已成功用于揭示比傅里叶变换或小波分析更长的振荡爆发。不幸的是，MP 在处理振荡功率的突然变化方面表现不佳，例如伽马振荡中观察到的那些变化。最近的时频超分辨率技术，如超小波，则不存在这个问题，尽管与 MP 相比，它们可能存在其他缺点。超小波能够精确检测和定位伽马爆发。新型、稳健的时频估计技术有望成为改变局面的关键，为这个尚未充分探索的领域打开一扇新的窗口。

最近，一种作为阿尔茨海默病非侵入性治疗方法正在积极研究和开发的程序，可能揭示伽马振荡一个令人惊讶且被忽视的功能作用。该程序称为利用感觉刺激进行伽马同步（GENUS），试图通过向不同的感觉模态（视觉、听觉或触觉）提供周期性刺激（闪烁）来使大脑振荡同步到 40 赫兹。这一方法已进一步扩展到使用经颅交流电刺激（tACS）、经颅磁刺激（TMS）和近红外光（NIR）进行直接脑刺激。

虽然关于 GENUS 治疗阿尔茨海默病的有效性仍在研究中，但我们想指出的是，从这项研究中还产生了其他同样重要的发现，而这些发现的重要性显然尚未得到充分认识。最近的研究表明，在大脑回路中因果性地诱导或引发伽马振荡，与血流量增加、淋巴系统激活以及与小胶质细胞的有效功能耦合相关。此外，自 2005 年以来，人们就已经知道大脑中的血流动力学信号与皮层中的伽马振荡密切相关。

受 GENUS 的启发，一个引人注目的假设应运而生，即大脑回路中的伽马振荡可能通过促进神经胶质耦合和利用血管机制，在维持健康大脑功能方面发挥因果作用。在这里，我们提出由大脑回路产生的内源性伽马振荡，也作为一种 “服务节律”，调节健康的血液和淋巴流动，并与小胶质细胞维持一个 “活跃” 的界面。我们向该领域提出挑战，希望通过因果研究来确定在某些脑部疾病中，伽马振荡的破坏是否不仅是结果，也是导致神经退行性变和回路功能障碍的部分原因。

本综述对伽马振荡进行了系统的探索，我们认为伽马振荡并非一种附带现象，而是可能对健康大脑功能至关重要。第一部分聚焦于神经回路中产生和调节伽马振荡的潜在机制。随后，简要探讨了伽马振荡在包括认知、感知和行为等各种过程中的作用。在这部分内容中，我们讨论了支持伽马振荡功能作用的主要理论，以及支持和挑战这些假设的实验证据。接着，我们探索了伽马振荡作为治疗神经系统疾病（如阿尔茨海默病，AD）的治疗工具的潜力。特别是，我们介绍了最新的、有前景的在动物模型和人类中进行的非侵入性治疗方法 GENUS。最后，我们提出了一个新的假设，该假设可以扩展目前对伽马振荡功能的理解。

2. 内源性伽马振荡的机制

我们将首先回顾已知的伽马振荡产生机制，以进一步推断其在大脑功能中的作用。自发现以来，振荡主要根据其中心频率进行研究和分类，伽马振荡也不例外。最近的综述指出，仅考虑频率而不考虑潜在的发生器，对研究伽马振荡的帮助有限，主要有两个原因。首先，伽马振荡爆发在相对较小的局部回路中产生，通常位于表层。因此，由于伽马振荡在时间和空间上更为局限，且存在多个发生器，单个记录电极很容易从多个来源拾取伽马振荡，而这些来源并不总是能仅通过时间模式或频率来区分。其次，来自远处神经元的突触注入到局部场电位（LFP）中的伽马振荡，进一步模糊了局部回路对观测到的伽马振荡的贡献。总体而言，有充分的证据表明，在剖析和研究伽马振荡时，应尽可能考虑局部发生器和伽马振荡的远距离传播。例如，在小鼠学习过程中，齿状回分别使用高频（100 - 150 赫兹）和低频伽马（30 - 50 赫兹）与内侧和外侧内嗅皮层交换空间和物体相关信息。

目前，人们普遍认为，快速放电的小白蛋白（PV）阳性中间神经元对伽马节律的产生至关重要。从历史上看，中间神经元参与伽马振荡生成的证据最初来自药理学干预研究，随后光遗传学研究进一步证实了这一点。Cardin 及其同事进行的光遗传学研究表明，对桶状皮层中靶向的快速放电中间神经元进行节律性刺激，能够选择性地增强与刺激频率相同的伽马振荡。同时，研究还发现，PV + 中间神经元的弥散性激活和失活分别会增强和抑制伽马振荡。

在 21 世纪初，关于伽马振荡起源的理论研究提出了两种在局部回路中产生伽马振荡的机制，在这两种机制中，抑制性神经元都起着关键作用。第一种机制是，在一个纯粹由抑制性神经元组成的网络中，研究表明，递归连接足以使网络同步并产生振荡。当然，产生神经元放电需要有足够的兴奋性驱动，但除此之外，振荡会自然发生。这种机制被称为中间神经元网络伽马振荡。第二种理论机制是锥体 - 中间神经元网络伽马振荡。与 ING 不同，PING 机制需要兴奋性和抑制性神经元共同参与。在这种机制中，振荡是兴奋和抑制之间相互作用的结果。兴奋性神经元群体中的驱动积累会导致兴奋性脉冲，激活抑制性神经元群体，而抑制性神经元群体反过来会用抑制性脉冲抑制回路。在一个网络中，这种反复的相互作用就会产生振荡。目前尚不清楚 ING 和 PING 机制在体内是共存还是相互竞争。然而，许多研究在实验中观察到了 PING 机制中典型的兴奋 - 抑制脉冲序列。

在 ING 和 PING 机制中，伽马振荡的频率取决于输入的强度和突触延迟。增强或减弱驱动会调节回路中的频率。有趣的是，研究表明，膜共振，尤其是在中间神经元中表达时，有助于稳定振荡频率，使其不受输入强度波动的影响，这在实验中也得到了证实。因此，人们定义了第三种有助于产生伽马振荡的机制，称为共振诱导伽马振荡（RING）。共振对频率的稳定作用可能是一个动态过程，因为共振可以由膜电压和神经调质调节，因此它可能会受到皮层状态变化的影响，并由自上而下的反馈回路控制。

伽马振荡并不局限于孤立的局部电路。在海马体和皮层中发现了交换和混合伽马振荡的更大网络。例如，Fernandez - Ruiz 等人在 2023 年总结了海马体中由 CA3、内嗅皮层和 CA1 形成的一个著名回路。简而言之，CA1 接收由 CA3 产生的低频伽马振荡（30 - 50Hz）和来自内嗅皮层的高频（60 - 100Hz）振荡。同时，CA1 自身也会产生更高频率（100 - 150Hz）的伽马振荡。在这种特殊情况下，CA1 中不同起源的三种伽马节律在频率和时间上是分离的，因为它们的峰值功率与 theta振荡的不同相位对齐。在皮层中，已经描述了多个伽马发生器，每个发生器都有其独特之处并且具有层特异性。在麻醉小鼠的视觉皮层中，刺激诱导的伽马振荡在2-4层可见，而自发伽马振荡则存在于所有层。

不同物种的初级视觉皮层在对伽马振荡的反应特性和潜在机制方面存在差异。例如，在猕猴中，黑暗刺激会导致伽马功率增加，而在小鼠视觉皮层中，伽马活动主要由明亮刺激触发。此外，伽马活动的起源在不同物种中也可能不同。在猕猴中，即使没有外侧膝状体（LGN）的伽马振荡，皮层也能产生伽马振荡，而在小鼠中，伽马振荡涉及包括 LGN 和视网膜在内的皮层前结构。另外，Castelo - Branco 等人在 1998 年的一项研究中发现，猫视觉皮层中存在两个不同的窄带伽马峰值，分别来源于皮层和皮层下结构。总体而言，文献表明，不同的机制和来源可能相互组合，产生在电极位点可观察到的电生理信号，因此在跨物种转化研究时必须谨慎。

3. 伽马振荡在感知、认知和行为中的作用

接下来，我们将简要讨论一些关于伽马振荡在大脑功能中作用的假设以及相关争议。

3.1 伽马振荡的功能作用？

伽马振荡在哺乳动物的广泛皮层和皮层下区域都有大量记录，包括视觉、躯体感觉、听觉、运动和额顶叶脑区。在一些皮层下区域，如杏仁核、海马体、丘脑、上丘、小脑等，也观察到了伽马振荡。

尽管伽马振荡的机制及其在不同物种中的作用尚未完全阐明，但值得注意的是，除了常见的模型物种如猴子和啮齿动物外，在刺猬的嗅球和梨状皮层、果蝇的视叶、蝗虫和兔子的嗅叶以及鸟类的视顶盖中也观察到了伽马振荡。

越来越多的证据表明，伽马振荡并非仅仅是神经活动的副产品（即仅仅是由兴奋和抑制的平衡产生的自然现象），其表达可能有助于进行有用的计算。有研究提出，伽马振荡可以提高信号辨别能力，增强信号传输的功效和效率，对注意力有因果贡献，介导海马体和皮层之间的相互作用，通过海马体的尖波涟漪促进经验选择以形成记忆等等。此外，已知伽马振荡在脑部疾病中会受到干扰。

Murty 等人在 2020 年对健康的老年受试者（50 - 88 岁）进行的一项脑电图研究表明，伽马振荡的功率与衰老呈负相关。这种效应在快伽马频段更为明显。此外，在后续研究中，他们发现与健康对照组相比，轻度认知障碍（MCI）和 AD 患者的刺激诱导伽马活动显著降低。在自闭症谱系障碍患者的运动区域也观察到了类似的结果。实际上，赋予伽马振荡假定功能作用的研究数量众多，但关于伽马振荡在健康大脑活动中起关键作用的直接因果证据仍然相对较少。

伽马振荡在不同物种和皮层区域的普遍存在促使人们提出了至少三个重要假设。其中最著名的假设之一是同步绑定假设，该假设认为，感觉表征的不同特征通过神经元亚群的同步放电活动 “绑定” 成连贯的感知。伽马振荡可能作为一种主动过程，使神经元同步到特定的组合中，与伽马周期对齐。

另一个假设是通过相干性进行通信（CTC），它强调了相干性作为不同脑区之间信息传递机制的重要性。CTC 假设认为，有效的皮层通信依赖于突触前和突触后神经元群体内部和之间的节律同步。当神经元同步激活时，它们会在高兴奋性和低兴奋性阶段之间交替，这会增强或减弱突触输入的效果。如果神经元的放电输出在精确的时间窗口内不同步，突触输入就会 “不同步” 到达，导致皮层通信效率降低。支持 CTC 假设的实验证据包括对猕猴的研究，在该研究中，通过虚拟诱导两个初级视觉区域（V1 和 V4）之间的伽马同步，促进了感觉传递，并缩短了运动任务的反应时间。

然而，CTC 假设的原始版本因其在节律同步过程中关于零相位同步和正弦相位 - 兴奋性关系的假设而面临一些质疑。事实上，最近的研究结果显示，远距离的神经元群体可以在存在系统延迟的情况下表现出高伽马频段相干性。修订后的 CTC 假设纳入了非正弦和非线性的兴奋性调制，与数学模型相一致，并将带延迟的同步整合为一种必要机制，用于在单向和双向通信的 CTC 过程中建立相位关系。

解释伽马振荡功能作用的第三个理论概念是相位编码。这一概念依赖于 CTC 定义的机会窗口概念，但将放电概率的非二元性作为编码刺激特征的指标进行探索。具体来说，PC 基于这样一个事实，即从细胞外测量，抑制作用在伽马周期的峰值处最强，并向波谷方向减弱。较强的兴奋性驱动能够克服更高水平的抑制，因此与弱驱动相比，可以在伽马周期中更早地触发动作电位。因此，兴奋性强度通过放电与伽马周期之间的相位关系进行编码。相位编码自 20 世纪 90 年代初就开始被讨论，由于在海马体和内嗅皮层中发现了位置细胞的 theta 相位进动现象，它进一步受到关注。在伽马频段，相位编码通过建模研究获得了大量理论支持，但由于精确评估如此高频振荡的相位是一项艰巨任务，直接的实验证据很难获得。

3.2 有用特征还是副作用？

对伽马振荡功能作用持怀疑态度的人主要针对同步绑定假设、CTC或 PC，他们的论点主要集中在三个方面：功率低且不稳定、依赖低水平刺激特征以及由于传导延迟和宽带污染导致的相位干扰。

3.2.1 低且不一致的功率

伽马振荡的瞬态特性，加上其与其他频段相比相对较低的功率，使得人们对其在信息路由和传输中的作用产生了质疑，而这正是 CTC和 PC所假设的。关于低功率的批评主要基于两点。首先，Ray 和 Maunsell 在2015 年提出，在许多情况下，伽马振荡非常微弱，只有在进行基线校正后才能在原始频谱中看到明显的功率，而在原始频谱中则不明显。因此，神经元需要进行滤波或设置阈值，才能在其内部动态或外部输入中检测到伽马振荡。然而，情况并非一定如此。理论研究表明，伽马振荡背后的网络机制可以轻松使网络同步，而中间神经元的膜共振可以调整放电时间，使神经元能够在不进行滤波或整合的情况下利用伽马振荡。

最近，振荡的瞬态爆发特性受到了更多关注。因此，有人认为伽马振荡无法建立稳定的时钟，这限制了其在不同位点之间通信的作用。此外，如果伽马振荡对传输有用，那么人们会期望在输入层 L4 中看到占主导地位的伽马振荡，但实际上，伽马振荡在 L2 - 3 层中更强。这一批评主要针对窄带、刺激诱导的伽马振荡。然而，伽马振荡由多个来源产生，有些来自局部电路，有些通过突触传递从远处传播而来。类似于被认为对信息编码有益的稀疏编码，稀疏的伽马振荡也可能具有功能相关性。我们可以推测，伽马振荡不必一直处于活动状态，伽马振荡爆发可以反映局部计算、突触输入，或者用于瞬态耦合，而伽马振荡的选择性缺失也可以传达有用信息。

3.2.2 对刺激的依赖：窄带与宽带

Hermes 等人对人类 V1/V2/V3 区域对一系列闪烁视觉刺激的脑电皮层电图（ECoG）反应进行的实验研究提出了一个有趣的观点。其他研究表明，窄带和宽带伽马振荡可能由不同的底物产生，Hermes 等人对此进行了区分。他们发现，窄带伽马振荡（30 - 80Hz）仅在光栅刺激时可靠地诱发。噪声模式、面孔和房屋等刺激仅在部分记录电极中诱发窄带伽马振荡。相比之下，宽带伽马振荡在多个位点和所有测试刺激中都有更好的表现。他们得出结论，窄带伽马振荡对于视觉感知并非必要，并认为反映异步活动的宽带伽马振荡可以支持信息传输和感知。即使窄带伽马振荡并非总是视觉识别所必需的，也不意味着伽马振荡在感知中没有作用。已有研究表明，伽马振荡可以增强触觉刺激的检测能力，并在计算机模拟中提高刺激辨别能力。在猴子视觉皮层中，它编码刺激的空间特征，当从周围环境可以预测感受野时，即使放电率没有变化，也会诱发伽马振荡。

同步绑定假设受到了质疑，因为视觉诱发的伽马频率依赖于刺激属性，尤其是对比度。根据这一批评，伽马振荡不适合将具有不同对比度的部分绑定在一起，形成对整体的连贯感知，因为目前尚不清楚具有不同频率的电路如何实现同步，或者如何维持用于 CTC 和 PC 的稳定相位关系。其他人则认为，从动态角度来看，这个难题可以得到解决，即不同频率的振荡仍然可以通过系统反映刺激属性的相位关系绑定在一起。即使频率不同，关于整体的信息也可以从相位中恢复。

3.2.3 由于宽带污染和传导延迟导致的相位干扰

不同区域之间的突触传递会在与伽马周期相当的时间尺度上引入延迟。在猴子中，视觉反应的延迟可达 70 毫秒。在局部 V1 回路中，上层神经元相较于输入层 L4 会有大约 10 - 15 毫秒的延迟。这些延迟取决于不同区域之间的距离，由于其多样性和大小差异，被认为会阻碍在单个伽马周期内实现精确同步。因此，鉴于不太可能存在一个中央振荡器来同步各个位点，需要零延迟同步的同步绑定假设可能仅适用于局部小范围，而不适用于跨区域同步。重要的是，有研究结果表明通过动态中继元件可以实现振荡器的同步，这为解决该问题提供了思路。像丘脑这样的中央中继结构可以帮助远距离区域实现零延迟同步，这似乎是一种普遍机制，甚至在激光中也能观察到。

综上所述，一些研究在探究伽马振荡时存在的主要问题是，它们忽略了伽马振荡的瞬态特性，并且采用了不恰当的检测和量化方法。实际上，在大多数情况下，针对特定刺激对时频表示（TFR，如频谱图）进行跨试验平均，这可能会产生误导性结果。在单个试验中频率分散的窄带伽马爆发，在平均频谱中可能会模拟成宽带伽马振荡。此外，即使伽马爆发的功率没有变化，但由于其在不同试验中的时频定位存在系统性或非系统性差异，也可能会导致平均频谱中伽马功率出现增减的假象。另外，基于傅里叶变换或单一小波的经典分析技术，倾向于模糊较高频率爆发的表示，并且频率泄漏也可能导致低频成分严重掩盖高频爆发。为了准确量化伽马振荡的存在和特性，需要进行单试验分析，并使用能够更好定位短暂振荡爆发的工具。

4. 同步伽马振荡作为治疗工具

我们已经介绍了与伽马振荡相关的主要术语概念，并广泛回顾了其产生机制以及在感知和认知中的假定功能作用。然而，在过去几年中出现了一个新的研究方向，受其作为阿尔茨海默病非侵入性治疗方案有效性的启发，同步伽马振荡似乎成为了一种有用的治疗工具。我们将在此回顾这一新方向，并参考本综述前面章节中描述的概念和机制。

4.1 伽马同步对阿尔茨海默病治疗的相关性

阿尔茨海默病（AD）是一种进展缓慢的神经退行性脑部疾病，全球约有 5000 万人受其影响。近期预测显示，这一数字每 20 年可能会翻一番，到 2050 年患者数量可能达到 1.53 亿。虽然其分子病理生理学尚未完全明晰，但过去三十年中一个核心假设一直存在，即细胞外淀粉样蛋白 β（Aβ）沉积和细胞内 tau 蛋白神经原纤维缠结（即淀粉样蛋白假说）会干扰神经元回路，改变神经元放电频率，并破坏伽马频段的节律性活动，最终导致神经元死亡和严重的认知功能障碍。

尽管在 AD 诊断方面取得了显著进展，但目前仍缺乏有效治疗或逆转该疾病的策略。当前，最佳治疗方案主要侧重于症状管理，仅能延缓疾病进展。例如，一种最新的、有前景的治疗 AD 症状的分子疗法是使用针对 Aβ 斑块的单克隆抗体进行免疫治疗，如阿杜卡那单抗。尽管它在减少 Aβ 积累方面有一定效果，但多项临床试验报告了严重的不良反应，包括脑出血和脑水肿。这些副作用引发了关于其临床使用安全性的重要问题，可能会阻碍 AD 治疗的进展。

为应对 AD 患者数量的快速增长及其带来的社会经济负担，科学家们不再局限于传统方法来探索 AD的发病机制，而是从不同角度和视角研究该疾病，以寻找潜在的治疗方法。多项研究已确定异常伽马活动与 AD 之间存在根本联系。因此，针对脑振荡，特别是伽马频段的振荡进行研究，成为了 AD 病理学研究中一个有前景的治疗方向。

越来越多的证据表明，在 AD 病理过程中，伽马振荡的产生机制受损，导致人类和 AD 动物模型中的伽马振荡活动水平发生改变。此外，在海马体 CA1 区域进行的体内研究表明，伽马活动的减少会导致认知功能障碍和记忆损伤。因此，伽马活动在 AD 病理生理学中至关重要，近期研究表明，异常的伽马振荡甚至可能被视为 AD 的早期生物标志物。事实上，Mably 和 Colgin 发现，异常伽马活动和认知功能障碍在 Aβ 积累之前就已出现。

多项研究探索了使用 40Hz 多感觉刺激的效果，结果表明通过神经同步促进大脑中的伽马振荡，是一种可行的非侵入性治疗选择，可用于预防和改善 AD 症状。Iaccarino 等人在2016 年进行的一项早期研究中，通过在 AD 动物模型中进行光闪烁来诱导伽马活动，发现每天暴露于特定的 40Hz 闪烁频率 1 小时，持续 7天，可使 Aβ 水平降低约 50%，并提高认知能力。这项引入了 GENUS 疗法的研究，为后续研究奠定了基础，引发了关于有时相互矛盾的研究结果的有趣讨论，同时也推动了该领域的进一步发展。

近十年来，众多研究在 AD 动物模型和人类患者中验证了 GENUS 的益处。这种新型疗法的核心概念是通过听觉和 / 或视觉等感觉刺激，在大脑中引发神经同步。这些刺激的频率可以有所不同，但大量研究表明，与 20Hz 或 80Hz 相比，特定的40Hz 频率能够增强多个脑区的伽马功率，进而促进小胶质细胞对 Aβ 的吞噬作用。在这场讨论中，一个不可避免的问题是，为什么恰好是 40Hz 的神经同步在对抗 AD 病理方面具有显著优势。过往的研究或许能为我们提供一些线索。

首先，40Hz 的脑节律可能在高级（如特征绑定）和低级脑功能（如神经元活动的相位编码；Fries，2005）中都起着至关重要的作用。其次，实验证据表明，在强直性兴奋状态下，海马体中相互抑制的中间神经元网络会表现出内在振荡，并共同在 40Hz 频率下 “共振”。这种现象也被称为中间神经元网络时钟，在感觉信息处理中起着重要作用，能够调节不同脑区的伽马节律频率。第三，以 40Hz 为中心的伽马活动与记忆相关的核心脑区，如海马体和新皮层，具有功能相关性。第四，两项具有开创性的研究表明，皮层中的快速放电 PV + 中间神经元能够将皮层回路调节到 40Hz 的共振工作状态。综合这些因素，可以推测 40Hz 是特定认知过程所必需的内在自然节律，而这些认知过程在 AD 中主要出现功能障碍。这种节律的破坏可能是与 AD 神经病理学相关的细胞和分子机制功能失调的一个指标。

进一步支持 40Hz 同步重要性的证据来自于对听觉稳态反应（ASSRs）及其与 GABA 能传递关系的研究。事实上，Parciauskaite 等人在 2019 年对健康年轻男性进行的研究发现，40Hz 听觉刺激与规划和解决问题等认知能力呈正相关。此外，Huang 等人在 2023 年的研究发现，40Hz 视觉刺激能够增强成年 C57BL/6J 小鼠的特定行为，包括社交探索、嗅觉能力和短期记忆。在 AD 小鼠中，40Hz 光刺激后嗅觉功能的增强也得到了证实。此外，40Hz 光闪烁能够改善慢性应激小鼠的应激相关行为，并抑制神经炎症。最后，关于突触可塑性的研究提供了一个有趣的证据，表明在野生型小鼠中，特定的 40Hz 神经同步能够诱导海马体神经可塑性重塑，并通过长时程抑制（LTD）促进学习和记忆。

4.2 GENUS 在动物实验中的应用

2016 年，Iaccarino 及其同事首次报道了 40Hz 同步（相较于 20Hz 或80Hz）在两种不同的 AD 小鼠模型中减少淀粉样蛋白积累的有效性。几年后，Adaikkan 等人在两种不同的神经退行性疾病动物模型（P301S 和 CK - p25）中也观察到了类似的效果。此外，该研究发现伽马同步的影响不仅局限于视觉区域，还涉及更高层次的脑区，包括海马体、躯体感觉皮层和前额叶皮层。这表明 40Hz 刺激能够增强整个大脑的功能连接。遵循相同的研究思路，Martorell 等人在 2019 年的后续研究中，对两种 AD 动物模型（5XFAD 和 P301S）同时给予视觉和听觉刺激。结果很有前景：40Hz 刺激成功减少了新皮层多个区域的 Aβ 积累和 tau 蛋白磷酸化。而给予其他刺激频率（如 8Hz、80Hz）时则未观察到这种减少，并且当同时使用听觉和视觉刺激时，效果更为显著。

最近，Suk 等人在 2023 年探索了通过全身振动触觉刺激这种独特的感觉模态进行 40Hz 刺激的潜力，将其作为一种治疗与运动功能障碍相关的神经退行性疾病的新型非侵入性治疗方法。研究结果表明，在两种不同的神经退行性疾病动物模型（tau P3S01 和 Ck - p25）中，每周多次、每天 1 小时接受 40Hz 振动触觉刺激，能够增强关键区域（躯体感觉皮层和初级运动皮层）的神经活动。此外，在这些区域中，两种动物模型的脑部病理变化都有所减轻，同时运动任务表现也得到了改善。

2020 年，Bobola 等人尝试重复 Iaccarino 等人的初始研究。在这项研究中，2 - 4 个月大的 5XFAD 小鼠接受了 40Hz 的经颅聚焦超声（tFUS）刺激，分为急性刺激和慢性刺激。结果证实，与对照组（假刺激组）相比，连续 5 天的慢性 40Hz tFUS 刺激使 Aβ 积累减少了 50%。此外，1 小时的急性 40Hz tFUS 刺激比对照组或未处理的半球更能增加 Aβ 积累周围的小胶质细胞活化。

其他利用光遗传学技术的研究也探索了 40Hz 刺激的治疗潜力。Etter 等人在 2019 年对 J20 - APP 小鼠模型（该模型存在空间记忆障碍和较低的低频伽马振荡幅度）的海马体中，通过不同频率的脉冲激活内侧隔核的 PV + 中间神经元。他们发现，只有 40Hz 的刺激能够恢复海马体的慢伽马振荡。此外，在同一研究中，尽管存在大量淀粉样蛋白沉积，但 40Hz 刺激在记忆检索过程中增强了空间记忆。

然而，Wilson 等人在 2020 年的研究中得到了相互矛盾的结果。他们使用 5XFAD 动物模型，报告称对基底前脑的 PV + 中间神经元进行光遗传学激活，导致 Aβ 沉积增加，而非像之前研究中那样减少。

4.3 GENUS 在人体实验中的应用

对人类受试者进行的传统 GENUS（40Hz 光和 / 或声音信号）等非侵入性刺激技术的初步人体研究表明，闪烁疗法在人类参与者中具有良好的耐受性、依从性和安全性，在 4 - 8 周的治疗过程中观察到了较高的耐受性和依从性。与闪烁治疗相关的不良事件大多较轻，显示出良好的安全性。此外，这些研究揭示了脑脊液中细胞因子和免疫因子的变化，默认模式网络中功能连接的增加，脑室扩张的减少以及认知功能和昼夜节律的改善。

其他非侵入性脑刺激方式包括 tACS 和 TMS。新出现的证据表明，对健康受试者的前额叶皮层进行 40Hz - tACS 刺激，能够通过缩短解决复杂逻辑问题的反应潜伏期来提高他们的认知表现。另一项研究中，每天进行两次 30 分钟的 tACS 刺激，并结合认知训练（分为主动组和假刺激组，假刺激组仅进行认知训练，无 tACS 刺激），结果显示主动组在一个月后的记忆保留方面明显优于假刺激组，表现出记忆改善。同样，还有研究报告称，与假治疗相比，40Hz tACS 刺激能够增强记忆，并恢复支持胆碱能神经传递的皮质内连接。这些研究结果共同强调了 40Hz 节律性刺激在增强记忆和神经连接方面的有效性，突出了其作为认知增强治疗策略的潜力。

尽管多项研究表明，在小鼠模型中 40Hz 伽马同步后淀粉样蛋白负荷显著降低，但这些发现对人类受试者的适用性尚未完全确定，因为目前的证据并未表明在人体中淀粉样蛋白负荷有显著降低。Ismail 等人的研究表明，这种差异的原因可能是人体试验中的治疗持续时间不够长，不足以产生明显的变化。

经颅磁刺激（TMS）被探索作为一种非侵入性的抑郁症治疗方法，与电休克疗法（ECT）相比，具有更好的耐受性。研究显示，AD 患者的 TMS 诱发电位降低，且淀粉样蛋白阳性但无痴呆的个体脑电图 α 频率反应性减弱，这表明 TMS 在 AD 早期检测和干预方面具有潜在应用。此外，近期研究发现，TMS 能够改善认知功能，增强左侧颞顶叶皮层的伽马频段功率，并增加大脑内部的局部、远距离和动态连接。

侵入性刺激技术，如深部脑刺激（DBS），已在帕金森病和特发性震颤的治疗中得到应用，目前正逐渐成为更多疾病的潜在治疗选择。例如，一种基于 DBS 的 AD 新型治疗方法，涉及以130Hz 的频率对穹窿进行双侧短脉冲、高强度（>3V）刺激；另一项研究报告称，使用 100Hz 的 DBS 治疗难治性重度抑郁症取得了改善。最后这项研究也很好地引出了最后一类技术，即闭环刺激，该研究的作者还采用了一种算法，用于识别抑郁症患者的特定生物标志物，并根据需要进行 DBS 刺激。

从技术上讲，闭环刺激相对简单：使用一个控制信号（例如伽马振荡活动）来控制刺激参数（例如光闪烁刺激的频率和强度）。闭环系统在直接刺激（tACS、rTMS、DBS）中非常受欢迎，目前正在被研究用于治疗多种疾病。然而，在（外部）感觉刺激方面，关于闭环刺激的研究似乎较少，这仍然是一个有待研究的开放领域。

4.4 GENUS 与认知表现

在前面的章节中，我们主要关注了伽马同步作为 AD 潜在治疗方法的生理证据，如 Aβ 水平的降低。在这里，我们将关注通过行为指标评估认知表现提升的研究。Martorell 等人在 2019 年发现，多模态 GENUS 能够提高 5XFAD 小鼠模型在新物体识别任务和新物体位置任务中的记忆表现。Park 等人在 2020 年的研究中表明，在阿尔茨海默病小鼠模型中，同时接受 40Hz 刺激和锻炼时，在穿梭实验和莫里斯水迷宫任务中的记忆表现有所恢复。这些效果还与海马体中的一系列生物学测量指标相关。Kim 等人在 2024 年同样发现，通过 GENUS 治疗，化疗小鼠模型的认知缺陷得到了恢复。You 等人在 2020 年发现，对人类应用 40Hz 闪烁刺激时，在注意力任务中的反应时间得到改善，而较低频率的刺激则没有这种效果。Khachatryan 等人在 2022 年表明，在认知任务中给予 GENUS 刺激能够增强功率同步效应，但他们没有测量认知任务的表现这些结果通过表明我们可以通过同步伽马振荡来恢复或改善认知任务的表现，为伽马振荡在认知中的作用提供了间接证据。

4.5 GENUS 与睡眠

周等人在 2024 年进行的一项最新研究，还探究了 40Hz 光闪烁刺激对睡眠的促进作用。睡眠障碍在多种神经退行性疾病中很常见，一些研究表明，睡眠障碍可能在这些疾病症状出现之前就已存在，有可能是疾病表现的前兆。虽然睡眠在这些疾病中发挥作用的确切机制仍有待阐明，但周等人在 2024 年的研究报告称，40Hz 光闪烁刺激通过 ENT2 信号通路提高细胞外腺苷水平，在不同动物模型中产生促睡眠效应，并改善儿童的睡眠质量。同一研究还发现，腺苷的细胞来源是兴奋性和抑制性神经元的相互作用，而非星形胶质细胞，这与产生伽马振荡的机制相似。这些新发现与之前的研究相结合，将淋巴系统与睡眠稳态联系起来，表明它们对 40Hz 刺激会产生响应。已有研究表明，睡眠在 AD 中起着重要作用，它能清除大脑中的有毒代谢副产物，包括淀粉样斑块和 tau 蛋白缠结。我们也知道，伽马振荡在快速眼动（REM）睡眠和 delta 睡眠期间出现。虽然大部分的清除过程被认为发生在慢波睡眠，但这两个过程之间可能仍存在联系。

4.6 对 GENUS 的不同观点

大量研究报告称，在麻醉、头部固定和自由活动的小鼠初级感觉皮层中，视觉刺激可诱导伽马振荡同步。然而，目前仍存在争议的是，在初级感觉皮层以外的其他区域，振荡活动是否也能被同步。

有研究报告称，在额叶前皮质（PFC）或海马体区域以及感觉区域中，观察到了 40Hz 振荡的视觉同步现象，这支持了振荡传播的观点。此外，人类脑电图研究也报告称，在顶叶和额叶区域观察到了小幅度的伽马振荡同步。单独的听觉刺激不会导致 CA1 和内侧前额叶皮层（mPFC）中局部场电位（LFP）在 40Hz 处的功率显著增加。然而，听觉和视觉周期性刺激相结合，会使 CA1 中 LFP 在 40Hz 处的功率增加，mPFC 中也有非常小的增加。

这场争论的第二个层面假设认为，即使感觉刺激诱导的振荡活动能够到达深部区域（如海马体）或更高层次的区域（如 PFC），也不一定会对阿尔茨海默病的病理标志物产生显著影响。不同研究之间存在差异的一个变量是所针对的病理标志物，这与研究中使用的遗传模型密切相关。最初，Iaccarino 等人研究了 5XFAD 和 tau P301S 小鼠，发现初级视觉区域的 Aβ 水平、斑块负荷和突变 tau 水平降低，但在海马体或桶状皮层中未观察到效果。后来，Adaikkan 等人评估了感觉刺激对 tau P301S 小鼠的影响，证实了对突变 tau 水平没有影响，但揭示了对 V1 和 CA1 区域神经元损失有显著影响。此外，在严重神经退行性疾病模型 CK - p25 小鼠中，40Hz 闪烁刺激与病理标志物的减少相关，如脑质量损失、皮层萎缩、脑室扩张以及 V1、CA1 和 SS1 区域的神经元损失。

这些不同性质的病理标志物一方面表明，伽马振荡有可能在神经退行性疾病（如阿尔茨海默病）的早期阶段 “逆转时钟”，减缓疾病进展。另一方面，在疾病进展到更晚期时，减少神经元损失旨在延缓或阻止症状的恶化，而非逆转病理变化。鉴于在多种疾病模型中都观察到了感觉周期性刺激的积极效果，其作用机制似乎并非针对疾病的分子特性，而是像 Tsai 等人提出的，更可能是一种通用机制，如维持神经元回路。

另一个因素是视觉闪烁协议的应用时长。最初，Iaccarino 等人的研究采用每天 1 小时、持续 7 天的协议，Martorell 等人在听觉和多感觉刺激研究中也使用了相同的时长。而 Adaikkan 在研究神经元损失时，将协议应用时长增加到了 6 周，才观察到显著结果。

第三个影响周期性刺激治疗效果的因素似乎是感觉模态：最初，研究主要依赖视觉闪烁刺激。令人惊讶的是，听觉周期性刺激在对阿尔茨海默病病理标志物产生影响方面，被证明更有效和可靠，尽管它在 CA1 区域的 LFP 伽马振荡同步方面似乎效果较差。事实上，在 5XFAD、APP/PS1 和 tau P301S 小鼠中，7 天的听觉协议应用足以导致听觉皮层和海马体区域的 Aβ 斑块负荷和突变 tau 减少。同时应用视觉和听觉周期性刺激，可将这种有益效果扩展到新皮层的更高区域。

Soula 等人在 2023 年的研究结果对上述观点提出了质疑，他们报告称 40Hz 光刺激不会引起海马体或视觉皮层中的天然伽马振荡同步，因此对将其作为神经退行性疾病的治疗策略提出了质疑。具体而言，该研究报告称，在急性和慢性 7 天协议应用中，V1 和海马体中的Aβ 水平下降幅度比之前报道的要低得多。随后，Carstensen 等人对此提出异议，认为更大的样本量和更准确的统计检验会提高报告效应的显著性。

然而，Soula 等人提出的观点值得关注，可能会为提高 GENUS 治疗效果的有效性和可重复性，以及更全面地理解这些效果的潜在机制，开辟新的研究方向。首先，他们认为应用 40Hz 视觉刺激时观察到的振荡成分，并非是天然伽马功率的增加，而是 V1 区域中一种稳态、窄带的 40Hz 振荡响应，且这种响应不会传播到更深或更高的区域。他们提出，像 4Hz 这样的较低频率，可能是实现高效、广泛振荡活动传播的更好候选频率。此外，他们认为没有行为显著性的 40Hz 刺激会导致海马体中的神经元产生习惯化，从而导致 V1 稳态响应无法传播到海马体结构。这一观点表明，在刺激范式中整合更具体的任务和神经反馈等技术，可能有助于提高该方法的治疗效果。

第三，他们报告称 40Hz 刺激对小鼠来说是厌恶的，可能会导致眼睛疲劳和疲劳。已有研究报告称，接近40Hz 的频率（30 - 60Hz）会增强海马体中的乙酰胆碱水平、减少神经元周围网络，甚至增加突变 tau 水平。他们得出结论，伽马频段刺激应谨慎使用，因为根据具体情况，它有可能同时降低和增加病理标志物。这凸显了识别治疗结果的实时指标，以及灵活的刺激控制回路（可能包括休息期）对这类治疗取得积极成果的重要性。

5. 伽马振荡的隐藏作用：平衡大脑内部生态系统

我们回顾了伽马振荡的主要机制，并讨论了其重要性的两个主要原因：伽马振荡在大脑功能中的作用以及作为治疗工具的潜力。在感知、认知和行为的背景下，伽马振荡的作用已被广泛研究。现有研究表明，它似乎对大脑结构间神经信息的编码和传输，以及回路活动的协调至关重要。尽管也存在大量批评，但量化方法的进步以及因果实验的设计，将是最终解决其对大脑功能效用问题的关键。另一方面，一个新的研究领域最近出现，人们开始研究伽马振荡的治疗益处，尤其是在治疗 AD 方面。该领域同样存在争议：使用伽马频率的刺激是否能传播到足够大的区域，以及这种传播是否对 AD 有预期的治疗效果，这些都存在争议。

最近，Tsai 等人及其他研究人员取得了重大进展，揭示了将大脑回路同步到 40Hz 伽马振荡似乎会影响小胶质细胞、星形胶质细胞和淋巴系统。这些细胞和系统是通过促进脑液流动来清除大脑代谢废物的关键参与者。脑脊液（CSF）通过动脉周围的血管间隙进入大脑，穿过星形胶质细胞终足层，流经脑实质，收集代谢废物，最终通过静脉排出。这就是所谓的淋巴清除途径。其清除间质代谢废物（如 Aβ 和 tau）的效率主要依赖于星形胶质细胞水通道蛋白 - 4（AQP4）水通道。对 AD 患者的临床研究表明，该系统存在损伤，这表明针对这一途径的干预措施可能是治疗 AD 的可行选择。关键发现总结如下：对 6 个月大的 5XFAD 小鼠进行 1 小时的40Hz 多感觉视听刺激，与无刺激、8Hz 或 80Hz 刺激相比，可增加前额叶皮层（PFC）中 40Hz 的局部场电位，并显著减少淀粉样蛋白积累。观察到的结果被认为是因为 GENUS 增强了动脉搏动，进而调节了 CSF 动力学。GENUS 通过增加星形胶质细胞终足上 AQP4 水通道的极化，促进了血管周围 CSF 的流入和间质脑液（ICF）的流出。在同一研究中还表明，这一途径还依赖于表达血管活性肠肽（VIP）的中间神经元：动脉搏动主要由 VIP + 中间神经元通过频率依赖性释放神经肽来调节。这些神经肽被认为启动了淋巴清除过程，最终减轻了 AD 病理。这一机制是在 GENUS 刺激的背景下发现的，GENUS 是一种强大但非自然的感觉驱动。

有可能在自然感知、认知或睡眠过程中，大脑内源性产生的伽马振荡也会激活类似机制。因此，受 GENUS 启发并作为其延伸，我们在此提出一个新的探索方向。我们假设内源性伽马振荡作为一种 “服务节律”，通过一系列神经、胶质和血管机制，以稳态方式维持健康的大脑功能。我们认为，涉及多种中间神经元类别的中间神经元回路之间存在一种复杂但尚未完全理解的相互作用，这种相互作用利用伽马节律来调节血流并清除代谢废物，防止沉积物形成，维持健康的回路。我们将这一机制称为 GAMER（伽马介导的回路维持）。在对自然刺激的反应中，以及在记忆回忆、认知处理或睡眠过程中大脑内部产生的内源性伽马振荡，都会激活 GAMER。GAMER 的崩溃或效率低下可能会促进神经回路功能障碍和神经退行性变，从而确立伽马振荡的因果作用。目前尚不清楚支持 GAMER 的伽马振荡的性质，它可能与 GENUS 诱导的伽马振荡有很大不同。接下来，我们将讨论这一新假设，并提出关键实验来验证它。

GENUS 依赖于通过感觉输入提供的非常强烈的周期性刺激。然而，在自然环境中，输入来自主动的视觉采样，或通过听觉、触觉等模态，通常不存在强烈的周期性成分。这并不意味着自然输入不会诱导或引发伽马振荡，但其性质预计与 GENUS 诱导的伽马振荡不同。事实上，最近的一项研究通过同时进行漂移光栅视觉刺激，研究了节律性光刺激诱导的伽马振荡与内源性产生的伽马振荡之间的关系。这两个过程产生了不同的振荡，且不会相互干扰，这表明 GENUS 诱导的伽马振荡和内源性产生的伽马振荡性质不同。

非周期性感觉输入诱导的内源性伽马振荡在视觉、听觉、躯体感觉或嗅觉模态中都有充分记录。此外，在多种高认知负荷任务中，如冥想、运动想象、心理旋转或脑机接口中的神经反馈训练，都观察到了大脑内部产生的伽马振荡，或这些振荡在整个皮层的更强同步。Kawasaki 和 Watanabe 在 2007 年的进一步研究发现，对物体的颜色、形状、方向和速度特征进行心理操作时，会引发强烈的伽马频段活动，这突出了这些振荡出现的多种情境。

虽然自发活动常被忽视，但它也是内源性伽马爆发的主要来源。在图 3 中，我们展示了对静息状态下人类脑电图和小鼠自发局部场电位（LFP）的单次试验分析。首先，我们展示了一个人类脑电图的例子，当受试者闭上眼睛（图3A），紧接着就会出现明显的阿尔法波，同时在枕部电极上出现真正的窄带伽马爆发。因此，即使在没有视觉输入的情况下，脑电图数据中也能发现强大的伽马爆发。其次，图3B 和 C 分别展示了在清醒和麻醉小鼠的自发活动中记录到的伽马爆发示例。虽然伽马爆发在清醒动物中更为明显，但在麻醉状态下也能检测到。我们认为，伽马振荡可能比目前认为的更为普遍，需要使用合适的工具进行新的研究，以更清楚地了解它们在不同大脑状态下的表达。

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图3 人类和小鼠自发活动中记录到的强烈伽马爆发

5.1 皮层中间神经元回路作为血管活性调节的中继

内源性伽马振荡在大脑动态中普遍存在，无论是在清醒还是睡眠状态。中间神经元机制参与内源性伽马振荡的节律发生已为人熟知。然而，到目前为止，大部分研究焦点都集中在快速放电的 PV + 细胞的贡献上，而对其他类型中间神经元的参与了解较少。除了 PV + 中间神经元外，表达血管活性肠肽（VIP）、生长抑素（SST）和一氧化氮合酶（NOS）的中间神经元，也可能对伽马振荡的产生和传播至关重要。重要的是，所有这些中间神经元群体都具有血管活性（图 4），能够调节血流和组织氧合。VIP + 中间神经元的激活具有血管舒张作用，而 SST + 中间神经元则促进血管收缩，NOS 可能同时具有血管舒张和收缩特性。它们的协同放电可能对调节大脑中的血流和相关神经代谢过程具有关键作用。

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图4 皮层中四类主要中间神经元（PV+、VIP+、SST+、NOS+）的血管运动控制

生长抑素在神经系统中会引起血管收缩并增加血管通透性。SST + 中间神经元是皮层中的一类主要抑制性神经元，主要发挥树突抑制作用。不出所料，它们的功能障碍与多种脑部疾病有关，包括 AD。SST + 中间神经元在伽马振荡中的作用逐渐得到认可。Hakim 等人在 2018 年观察到，在小鼠视觉皮层急性脑切片中，对图案化光遗传刺激产生了 30Hz 的窄带振荡。这种振荡由 L2/3 层锥体主细胞和 SST + 中间神经元的相互作用支持，不涉及 PV + 细胞，并且在较大距离上表现出一致性。Antonoudiou 等人发现，SST + 和 PV + 中间神经元共同促进海马体中的伽马节律产生。

另一类重要的中间神经元是表达 VIP 的中间神经元，它抑制 SST + 中间神经元，对皮层主细胞具有去抑制作用。血管活性肠肽促进血管舒张，是大脑血流量的主要调节因子。最近有研究表明，VIP 中间神经元调节皮层活动和依赖于感觉情境的感知表现。它们还能增强对微弱但特定刺激的反应。虽然目前尚不清楚 VIP + 中间神经元如何参与伽马节律的产生，但研究表明，小鼠皮层中的 VIP 中间神经元以线性方式调节伽马功率，而不改变其对刺激的选择性，并且当不同区域处理不匹配的刺激时，还会抑制更大距离上的同步。因此，VIP + 中间神经元可以调节更大皮层区域的伽马相干性。

两项研究深入探讨了 VIP+、PV+、SST + 和 NOS + 中间神经元对血管控制的重要性。Cauli 等人在 2004 年对大鼠皮层切片进行了膜片钳记录，同时对生物素标记的神经元和层粘连蛋白染色的微血管进行共聚焦成像。他们发现，中间神经元的放电伴随着相邻微血管的扩张或收缩，VIP + 和 NOS + 神经元主要引起扩张，而 SST + 神经元则引起收缩，从而将神经元信号转化为血管反应。在另一项研究中，通过对VIP+、PV、SST 和 NOS + 抑制性中间神经元进行光遗传刺激，发现 NOS + 刺激促进脑血流量（CBF）增加，SST + 刺激后 CBF呈现非单调响应，先增加后减少，VIP 刺激未引起可检测到的CBF 变化，而 PV + 同步刺激时 CBF 增加较慢。由于这些中间神经元相互耦合且具有血管运动特性，因此很明显，这些中间神经元群体的协同放电不仅对控制皮层回路动力学至关重要，对控制血流也至关重要。GAMER 面临的挑战是确定内源性伽马振荡如何在体内影响这些群体的放电。

5.2 40Hz 是必要的吗？

GENUS 实验表明，为了观察到对皮层回路的 AD 相关效应，需要特定的 40Hz 刺激，而不是其他频率，如 80Hz。我们认为，虽然这个频率对 GENUS 可能至关重要，但对于内源性伽马（GAMER）来说可能并非必需。事实上，40Hz 刺激对 GENUS 可能很重要，因为它可以利用回路共振，并在更大的皮层区域实现有效传播。然而，在体内，由大量内部来源产生的内源性振荡可以通过丘脑中继元件实现同步，不一定依赖于回路共振，可能受益于其他振荡频率。

这里的关键问题是，VIP、PV+、SST 和 NOS + 中间神经元复合体在参与 40Hz 振荡与其他频率振荡时，是否会表现出不同的行为。目前我们还没有明确的答案。已知伽马振荡涵盖很宽的频率范围，观察 PSD 时会发现，伽马频段在功能上似乎可分为高频（>60/80Hz）和低频（<60/80Hz）子带。目前尚不清楚这两个不同的伽马范围是否具有相同的产生机制，但很可能在不同条件下，这两个子带都由中间神经元群体参与支持。

之前已有研究表明不同中间神经元群体的差异参与。例如，Antonoudiou 等人发现，SST + 和 PV + 中间神经元在调节伽马频率方面的作用不同，它们之间的相互作用远非线性。根据兴奋性 - SST 和兴奋性 - PV 回路的相对激活程度，会产生高于 60Hz 和低于 60Hz 的伽马振荡。最近的一项研究表明，SST + 和 PV + 神经元都参与视觉诱导的伽马振荡，但相对于主细胞放电存在不同的延迟，PV + 细胞在伽马周期中放电更早。

另一个超越 GENUS 中使用的 40Hz 刺激的理由来自视觉感知的观察。多项研究表明，某些类型的视觉刺激，如叠加光栅或大光栅会诱导出多个伽马峰值，表明存在多个伽马发生器。在一项研究中，根据刺激的空间频率确定了三个不同的发生器。虽然对于 GENUS 来说，同步可能与 40Hz 的回路共振密切相关，但 GAMER 可能受益于多个伽马发生器产生的内源性振荡。

总之，在 GAMER 假设中，除 40Hz 外的其他伽马频率可能也具有功能作用。然而，我们不能排除不同中间神经元类别对不同频率存在特定效应的可能性。

5.3 GAMER 的有效性

GENUS 刺激在神经回路中诱导出持续的伽马响应，至少在实验室环境中，这种响应具有两个重要特性：与伽马周期相比，它能在相对较长的时间内持续存在，并且至少在初级感觉皮层中能引发强烈响应。因此，淋巴清除系统可以利用强大而持续的节律性血管运动调节。相比之下，GAMER 依赖于内源性伽马，其主要以短脉冲形式出现在很宽的频率范围内。未来的研究应至少阐明两个可能对确定 GAMER 是否真正有效的关键问题。首先，需要确定内源性伽马爆发的普遍性，包括自发活动和感觉刺激时的情况。作者认为，结合适当的估计方法进行单试验分析，将证明伽马爆发是一种普遍现象。其次，应设计因果实验来确定以短脉冲形式出现的伽马爆发在多大程度上可以激活上述淋巴清除过程。不同频率的爆发而不是单一频率的持续同步，可能会激活尚未知晓的血管运动机制。考虑到中间神经元机制的多样性，这一点也应予以考虑。

虽然 GENUS 主要依赖 40Hz 刺激，因为该频率可以通过回路的共振特性在皮层回路中传播，但在 GAMER 中，内源性伽马可能不需要满足这一要求。随机的内源性爆发可能以类似于雪崩的方式在皮层区域传播。事实上，神经元雪崩可能与内源性伽马爆发事件密切相关。

5.4 因果实验的建议

GAMER 的关键预测是，VIP+、PV+、SST + 和 NOS + 中间神经元复合体中的内源性伽马振荡，对于血流、氧合和淋巴清除的稳态调节至关重要，有助于促进健康的神经代谢功能。已知这些中间神经元对正常大脑功能至关重要。例如，有研究提出 SST + 中间神经元的退化在 AD 的发展中起因果作用，因为患者的皮层和海马体中 SST + 表达较低。但中间神经元复合体中的伽马活动是否也必不可少呢？它又能带来什么益处呢？正如 Tsai 等人所提出的，一种可能性是节律性血管运动调节能够实现淋巴清除，其中涉及水通道蛋白-4（AQP4）水通道等。另一种可能性是，节律性血管运动调节可以使血流量与局部回路的代谢需求主动匹配。在这种情况下，节律性对于确保足够的代谢和氧气供应至关重要，因为它对微血管具有泵送作用。事实上，很久以前就有研究表明血流动力学信号与皮层伽马振荡相关。

为了验证这些设想，我们提出了一些关键实验。首先，可以同时观察中间神经元周围的微血管，并使用光遗传学技术，通过有节奏模式（伽马）或随机脉冲间隔的光脉冲激活中间神经元，同时确保两种条件下的放电率相同。这将有助于测试节律性刺激与随机刺激的效果，同时排除中间神经元放电率的影响。其次，在一个更复杂的体内实验中，可以给啮齿动物植入慢性光遗传刺激器，用于轻微干扰局部的 VIP+、PV+、SST + 或 NOS + 中间神经元群体。这种干扰应使中间神经元的放电不同步，防止其与更大回路的内源性伽马振荡对齐。这个实验必然是一个闭环实验，既可以观察更大回路的内源性伽马振荡，又可以通过干扰破坏目标中间神经元群体的节律性。应用该方案数周后，可以评估干扰对应用部位局部皮层的影响，并与同一动物中未受干扰的皮层回路的对照分析进行对比。重要的是，与第一个实验一样，光遗传刺激不应改变放电率，而只应防止中间神经元的节律性放电。

6. 结论

经过八十多年的研究，伽马振荡仍然是一种神秘而迷人的节律。我们广泛回顾了其机制，以及在感知、认知和行为中的假定功能作用。我们认为，随着我们开始理解其真正的瞬态特性，并且有了能够正确量化其在神经元信号中存在的强大估计工具，对伽马振荡功能的理解将加速发展。最近，使用各种刺激技术进行的伽马同步，正逐渐成为一种治疗工具，在 AD 治疗中具有重要应用。一个新的观点正在形成，即由中间神经元机制支持的内源性伽马振荡，可能通过波动的神经血管耦合，在维持健康回路方面发挥重要作用。我们相信，关于伽马振荡在大脑功能中多方面作用的重大发现，在不久的将来即将揭晓，这可能比我们想象的更近。

7. 材料和方法

图 1 和图 3 中数据是使用小鼠体内细胞外电生理学和人类高密度脑电图记录获得的。

7.1 小鼠电生理学实验

进行了两种类型的实验来测试 GENUS 疗法，使用了清醒和麻醉的小鼠。所有实验程序均符合 2010 年 9 月 22 日欧洲共同体理事会指令（2010/63/UE）的指导方针，并获得了当地伦理委员会（3/CE/02.11.2018）和国家兽医管理局（ANSVSA；147/04.12.2018）的批准。实验在成年 C57BL/6J 小鼠上进行，小鼠以最多三只同窝小鼠为一组饲养，饲养环境温度控制在 21 - 23°C，湿度为 60%，光照 / 黑暗周期为 12/12 小时。提供标准食物和水，小鼠可自由摄取。

所有手术操作均在麻醉动物上进行，使用异氟烷（诱导时 5%，维持时 2 - 2.5%）。简要来说，进行 1 毫米的圆形颅骨切开术，用于植入电极或插入 ASSY E - 1 硅（剑桥神经技术公司）探针（分别用于慢性和急性记录）。在闪烁刺激期间，从动物左侧视觉皮层（前囟后 0 - 0.5 毫米，中线旁 2 - 2.5 毫米）以 32k 样本 / 秒的速率记录电生理数据。使用定制的 LED 面板单眼给予闪烁刺激，持续 6 秒，频率为 40Hz，占空比为 50%。局部场电位通过先使用 300Hz 低通滤波器对信号进行滤波，然后下采样到 1kHz，再使用 0.1Hz 高通滤波器获得。通过 50Hz 和 100Hz 陷波滤波器去除电源噪声及其谐波。

7.2 人类脑电图实验

脑电图数据来自一名健康的人类志愿者。所有实验方案均获得了当地伦理委员会的批准（批准号 1/CE/08.01.2018），数据收集符合相关法规，即指令（EU）2016/680 和罗马尼亚法律 190/2018。在实验前获得了书面知情同意。使用高密度帽（128 电极 - Biosemi ActiveTwo）以 1024 样本 / 秒的速率记录一名健康受试者在闭眼静息状态下的脑电图数据。随后，数据在 0.1 - 200Hz 的范围内进行带通滤波。

参考文献：The gamma rhythm as a guardian of brain health.