Sóng não Gamma

Sóng Gamma là gì?

Sóng gamma là các mô hình nhịp điệu trong hoạt động thần kinh xảy ra ở tần số tương đối cao. Chúng phản ánh thời gian hoạt động điện trong các nhóm neuron thay vì một suy nghĩ, cảm xúc hoặc trạng thái tinh thần đơn lẻ.

Các nhà nghiên cứu nghiên cứu chúng trong mối liên quan đến nhận thức, sự chú ý, trí nhớ và sự giao tiếp giữa các vùng não. Thuật ngữ này hữu ích, nhưng không nên xem nó như một nhãn dán đơn giản cho trí thông minh hoặc ý thức đỉnh cao.

Đặc điểm của sóng Gamma

Hoạt động gamma thường được mô tả bởi các dao động nhanh, nhưng biên độ, thời gian và vị trí của nó cũng quan trọng như tần số danh định của nó. Một đợt bùng phát ngắn trong một nhiệm vụ nhận thức có thể mang một ý nghĩa khác với hoạt động tần số cao kéo dài được ghi nhận trong lúc thức. Do đó, các nhà nghiên cứu xem xét liệu công suất gamma có thay đổi hay không, liệu hoạt động có được đồng bộ hóa giữa các vùng hay không và liệu mô hình đó có bị khóa thời gian theo một sự kiện hay không.

Tín hiệu này cũng có thể dễ bị nhiễu do hoạt động của cơ, chuyển động và nhiễu điện. Điều này đặc biệt liên quan đến các bản ghi trên da đầu, nơi một số hoạt động tần số cao có thể phản ánh các nguồn không phải thần kinh.

Hoạt động não bộ của sóng Gamma được đo lường như thế nào

Hoạt động gamma có thể được đo lường bằng một số phương pháp, mỗi phương pháp mang lại một sự cân bằng khác nhau về thời gian, thông tin không gian và mức độ nhạy cảm với các hiện tượng nhiễu.

Da đầu EEG ghi lại các thay đổi điện áp liên quan đến hoạt động thần kinh đồng bộ và cung cấp độ phân giải thời gian ở mức mili giây. Bản đồ từ não (MEG) ghi lại các từ trường do dòng điện thần kinh tạo ra và cung cấp một góc nhìn không xâm lấn khác về hoạt động dao động.

Phân tích thường bắt đầu với tiền xử lý, bao gồm loại bỏ hoặc đánh dấu chuyển động, mắt, cơ và nhiễu điện. Các nhà nghiên cứu sau đó có thể tính toán công suất phổ, đồng bộ hóa pha, các thay đổi liên quan đến sự kiện hoặc các biểu diễn thời gian-tần số. Sự lựa chọn phương pháp có thể ảnh hưởng đáng kể đến việc phát hiện ra một đợt bùng phát ngắn, nhịp điệu kéo dài hay mối quan hệ giữa các vùng.

Việc giải thích cũng phụ thuộc vào vị trí đặt điện cực, lựa chọn tham chiếu, cỡ mẫu, các kiểm soát thống kê và nhiệm vụ được thực hiện trong quá trình ghi. Tín hiệu tần số cao ở da đầu có thể đặc biệt nhạy cảm với hoạt động của cơ mặt và da đầu.

Do đó, một kết luận đáng tin cậy sẽ kết hợp kiểm tra chất lượng tín hiệu với dữ liệu hành vi hoặc lâm sàng thay vì xem một biểu đồ đầy màu sắc như một chẩn đoán.

Nơi sóng Gamma bắt nguồn trong não

Các dao động gamma nổi lên từ hành vi phối hợp của các mạch cục bộ trong vỏ não, được định hình bởi cả các neuron và một loại tế bào hỗ trợ từng được cho là không có vai trò truyền tín hiệu nhanh.

Các bản ghi thu được từ tất cả các lớp của vỏ não thị giác sơ cấp (V1) ở khỉ gợi ý một cấu trúc dạng lớp. Sóng gamma được báo cáo là bắt đầu ở lớp đầu vào 4 và sau đó lan truyền lên các lớp nông và xuống các lớp sâu của vỏ não. Mô hình này song song với dòng thông tin cảm giác từ đồi thị hướng tới các vùng vỏ não cấp cao hơn, đánh dấu gamma cụ thể là một tín hiệu chuyển tiếp tiến (feedforward)—cách bộ não nhanh chóng đẩy các chi tiết mới về phía trước để phân tích thêm.

Nguồn gốc dạng lớp này cho chúng ta biết rằng gamma là một hiện tượng mạch cục bộ có thể lan tỏa qua các lớp của một cột vỏ não. Tuy nhiên, việc tạo ra các nhịp điệu nhanh này lại phụ thuộc vào một nhân tố đáng ngạc nhiên.

Trong các chế phẩm lát cắt hồi hải mã, việc ngăn chặn chọn lọc sự giải phóng các phân tử truyền tín hiệu từ các tế bào sao (các tế bào thần kinh đệm hình sao bao quanh các khớp thần kinh) làm rút ngắn đáng kể thời gian của các dao động gamma do hóa chất gây ra. Tiếp nối điều này, một mô hình chuột chuyển gen bị rối loạn chức năng tế bào sao có thể kích hoạt đã cho thấy sự giảm rõ rệt công suất gamma EEG trong bộ não khi thức và hoạt động, ngay cả khi sự truyền tin khớp thần kinh từ neuron sang neuron truyền thống vẫn nguyên vẹn.

Tế bào sao, có vẻ như, là những nhân tố đóng góp thiết yếu cho động lực học mạng lưới nhanh giúp duy trì gamma.

Cách sóng Gamma điều phối sự đồng bộ thần kinh

Sự lan truyền chuyển tiếp tiến của sóng gamma không giới hạn ở một vùng duy nhất. Các bản ghi đồng thời đã đề cập trước đó từ V1 và vùng thị giác cao hơn, V4, gợi ý rằng sóng gamma di chuyển theo hướng chuyển tiếp tiến: khi một kích thích thị giác lần đầu tiên tác động vào vỏ não, sự đồng bộ gamma ở V1 xảy ra trước và thúc đẩy gamma ở V4.

Quan hệ nhân quả đã được thiết lập bằng cách kích thích vi mô V1 và quan sát thấy nó trực tiếp gợi ra các dao động gamma ở V4 phía hạ nguồn. Lực đẩy có hướng này khiến gamma trở thành một ứng cử viên cho việc truyền nhanh các chi tiết cảm giác từ các giai đoạn xử lý thấp hơn lên cao hơn.

Nhưng các dao động gamma không hoạt động cô lập. Quá trình xử lý ở vỏ não đồng thời liên quan đến nhiều băng tần tần số, đặt ra câu hỏi về cách các luồng tách biệt về mặt phổ được tích hợp như thế nào.

Trong một nghiên cứu bản đồ từ não ở những người trưởng thành khỏe mạnh thực hiện các phép tính nhẩm liên tục, các nhà nghiên cứu đã tìm thấy sự đồng bộ pha chéo tần số mạnh mẽ giữa các dao động alpha (\~10 Hz), beta (\~20 Hz) và gamma (\~30–40 Hz). Những nhiệm vụ này—đòi hỏi phải giữ và cộng các con số trong trí nhớ làm việc—không chỉ tăng cường sự đồng bộ trong băng tần cổ điển, mà đặc biệt là sự ghép pha giữa các băng tần gamma và alpha.

Quan trọng là, khi nhiệm vụ trở nên đòi hỏi khắt khe hơn (tăng số lượng mục cần ghi nhớ), mức tăng đồng bộ nổi bật nhất xuất hiện chính xác giữa gamma và alpha. Phát hiện này chỉ ra rằng gamma hoạt động như một nút chính trong một mạng lưới liên kết các nhịp điệu chậm hơn, phân bố rộng rãi hơn về mặt không gian thành một khoảnh khắc nhận thức nhất quán.

Sự phối hợp chéo tần số mang lại một cơ chế hợp lý cho cách bộ não tích hợp quá trình xử lý đặc điểm cục bộ, nhanh (gamma) với hoạt động thiết lập bối cảnh rộng hơn (alpha).

Vai trò của dao động Gamma trong trí nhớ làm việc và trí nhớ nhận diện

Việc liên kết sự đồng bộ gamma với các hệ thống trí nhớ cụ thể làm rõ nét hơn bức tranh chức năng. Nhiệm vụ tính nhẩm được mô tả ở trên đã chứng minh rằng sự đồng bộ băng tần gamma, đặc biệt là khi được khóa pha với alpha, sẽ mạnh lên khi tải lượng trí nhớ làm việc tăng lên. Sự đồng bộ hóa giữa tần số gamma và alpha theo dõi nhu cầu nhận thức cần thiết để duy trì và xử lý thông tin trong vài giây.

Bằng chứng từ một lĩnh vực trí nhớ khác, trí nhớ nhận diện, hỗ trợ thêm cho mối quan hệ nhân quả giữa công suất gamma và hành vi, và ở đây kết nối tế bào sao trở nên mang tính quyết định. Cùng những con chuột chuyển gen có biểu hiện giảm công suất gamma vỏ não do biểu hiện độc tố uốn ván tế bào sao cũng hoạt động kém trong thử nghiệm nhận diện vật thể mới, một thử nghiệm tiêu chuẩn về khả năng phân biệt vật quen thuộc với vật mới.

Đáng chú ý, các khả năng trí nhớ khác—trí nhớ làm việc trong mê cung và điều kiện hóa sợ hãi—không thay đổi. Sự thâm hụt là cụ thể đối với trí nhớ nhận diện, và khi biểu hiện độc tố bị ức chế, cả công suất gamma và hiệu suất nhận diện vật thể mới đều phục hồi. Những quan sát liên kết này chỉ ra vai trò tiềm năng của dao động gamma trong hệ thống mạch tạo nên nền tảng cho việc phát hiện sự quen thuộc.

Rộng hơn, một đánh giá về sự đồng bộ dao động trong mạng lưới vỏ não xếp danh mục hoạt động băng tần gamma vào nhóm các nhịp điệu liên quan đến nhóm nhận thức, lựa chọn kích thích phụ thuộc vào sự chú ý, tích hợp hệ thống phụ, trí nhớ làm việc và ý thức. Khi cần có sự phối hợp giữa các quần thể thần kinh ở xa, sự đồng bộ gamma dường như luôn xuất hiện.

Sự hiện diện của nó trong các nhiệm vụ từ liên kết thị giác đến phép cộng nhẩm nhấn mạnh rằng gamma không dành riêng cho một lĩnh vực nhận thức đơn lẻ; thay vào đó, nó là một công cụ thời gian linh hoạt (Flex) mà bộ não triển khai bất cứ khi nào cần tích hợp thông tin nhanh chóng.

Bất thường Gamma như một cửa sổ nhìn vào các rối loạn não bộ

Bởi vì sự đồng bộ gamma hỗ trợ các hoạt động nhận thức cốt lõi, những thay đổi trong băng tần gamma có thể báo hiệu bệnh lý tiềm ẩn.

Bệnh tâm thần phân liệt cung cấp một trong những ví dụ được nghiên cứu nhiều nhất. Một nghiên cứu EEG liên quan đến sự kiện đã so sánh 22 đối tượng kiểm chứng khỏe mạnh và 21 bệnh nhân được điều trị bằng thuốc trong một nhiệm vụ âm thanh lạc điệu đơn giản. Sử dụng phân tích thời gian-tần số, các nhà nghiên cứu đã đo lường sự khóa pha băng tần gamma (36–50 Hz)—mức độ nhất quán mà các phản hồi thần kinh liên kết theo thời gian qua các lần thử—trong vòng 100 mili giây đầu tiên sau một âm thanh tiêu chuẩn.

Các đối tượng khỏe mạnh cho thấy sự khóa pha nổi bật ở các điện cực vùng trán trong khoảng từ 20 đến 60 mili giây. Ở nhóm tâm thần phân liệt, sự đồng bộ gamma gợi ra sớm này đã giảm đáng kể (P \= .03), chỉ ra rằng sự đồng bộ ban đầu của não đối với kích thích âm thanh dường như bị thiếu hụt trong rối loạn não bộ này.

Phát hiện này phù hợp với một khối lượng nghiên cứu lớn hơn gợi ý rằng bệnh tâm thần phân liệt liên quan đến các dao động thần kinh và sự đồng bộ bất thường, đặc biệt là ở băng tần gamma, và những bất thường này liên quan đến các rối loạn chức năng và triệu chứng nhận thức. Giảm khóa pha gamma có thể đại diện cho một cơ chế sinh lý bệnh góp phần vào sự phân rã của tư duy và nhận thức đặc trưng cho căn bệnh này.

Mặc dù nghiên cứu nhấn mạnh tiềm năng của đồng bộ gamma như một chất chỉ thị sinh học, nó cũng cảnh báo rằng các lựa chọn phương pháp bao gồm các tham số phân tách thời gian-tần số cụ thể có thể ảnh hưởng nặng nề đến kết quả, và các nghiên cứu trước đây không phải lúc nào cũng phát hiện ra cùng một mức thâm hụt. Tuy nhiên, sự đồng thuận mới nổi xếp sự đồng bộ băng tần gamma vào nhóm các đầu mối điện sinh lý hứa hẹn nhất để hiểu và cuối cùng là phân tầng các tình trạng tâm thần kinh.

Tại sao sóng Gamma là trung tâm của sự phối hợp và sức khỏe não bộ

Sóng gamma là nhịp điệu nhanh nhất của não, hoạt động như một tín hiệu thời gian kéo các mảnh thông tin riêng biệt thành một trải nghiệm tinh thần phối hợp. Ở đây chúng tôi chỉ ra rằng các nhịp điệu này phụ thuộc vào cả neuron và các tế bào hỗ trợ chuyên biệt, và chúng di chuyển về phía trước qua vỏ cortex như một cách để chuyển các chi tiết cảm giác mới đến dọc theo để xử lý thêm. Tuy nhiên, gamma không hoạt động đơn độc; nó khóa với các nhịp điệu chậm hơn như alpha khi các nhiệm vụ đòi hỏi nhiều trí nhớ làm việc hơn, tiết lộ rằng nhận thức linh hoạt (Flex) dựa trên sự phối hợp chéo tần số chính xác.

Những sai lệch trong thời gian này có thể báo hiệu bệnh tật. Khi chức năng tế bào hỗ trợ bị vô hiệu hóa trong các thí nghiệm, công suất gamma giảm và trí nhớ nhận diện bị ảnh hưởng, trong khi những người bị tâm thần phân liệt cho thấy phản ứng gamma sớm yếu hơn đối với các âm thanh đơn giản.

Những phát hiện này hỗ trợ sự đồng bộ gamma như một dấu hiệu tiềm năng cho thấy bộ não tích hợp thông tin tốt như thế nào, chứ không phải là một nguyên nhân đã được chứng minh của bất kỳ tình trạng nào. Đo lường nhịp điệu gamma ở các cá nhân cuối cùng có thể giúp các bác sĩ lâm sàng phát hiện và theo dõi các rối loạn mà trong đó hoạt động truyền tín hiệu nhanh nhất của não bị lệch nhịp.

Tài liệu tham khảo

1. Van Kerkoerle, T., Self, M. W., Dagnino, B., Gariel-Mathis, M. A., Poort, J., Van Der Togt, C., & Roelfsema, P. R. (2014). Alpha and gamma oscillations characterize feedback and feedforward processing in monkey visual cortex. Proceedings of the national academy of sciences, 111(40), 14332-14341. https://doi.org/10.1073/pnas.1402773111

2. Lee, H. S., Ghetti, A., Pinto-Duarte, A., Wang, X., Dziewczapolski, G., Galimi, F., Huitron-Resendiz, S., Piña-Crespo, J. C., Roberts, A. J., Verma, I. M., Sejnowski, T. J., & Heinemann, S. F. (2014). Astrocytes contribute to gamma oscillations and recognition memory. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, 111(32), E3343–E3352. https://doi.org/10.1073/pnas.1410893111

3. Palva, J. M., Palva, S., & Kaila, K. (2005). Phase synchrony among neuronal oscillations in the human cortex. The Journal of Neuroscience, 25(15), 3962-3972. https://doi.org/10.1523/JNEUROSCI.4250-04.2005

4. Uhlhaas, P. J., Haenschel, C., Nikolić, D., & Singer, W. (2008). The role of oscillations and synchrony in cortical networks and their putative relevance for the pathophysiology of schizophrenia. Schizophrenia bulletin, 34(5), 927-943. https://doi.org/10.1093/schbul/sbn062

5. Roach, B. J., & Mathalon, D. H. (2008). Event-related EEG time-frequency analysis: an overview of measures and an analysis of early gamma band phase locking in schizophrenia. Schizophrenia bulletin, 34(5), 907-926. https://doi.org/10.1093/schbul/sbn093

Câu hỏi thường gặp

Sóng gamma là gì và tại sao chúng lại quan trọng đối với chức năng não?

Sóng gamma là các hoạt động điện nhịp điệu nhanh nhất của não, có thể đo được bằng EEG. Chúng cho phép đồng bộ hóa nhanh chóng các neuron trên các mạng lưới, giúp liên kết các chi tiết cảm giác thành các nhận thức thống nhất và hỗ trợ các chức năng nhận thức như sự chú ý, trí nhớ và quá trình xử lý có ý thức.

Sóng gamma bắt nguồn từ đâu trong não và chúng di chuyển như thế nào?

Sóng gamma bắt nguồn từ lớp đầu vào (lớp 4) của vỏ não và sau đó lan truyền đến các lớp nông và sâu. Mô hình này song song với dòng thông tin cảm giác, đánh dấu gamma là một tín hiệu chuyển tiếp tiến (feedforward) nhanh chóng đẩy các chi tiết mới về phía trước để phân tích cấp cao hơn.

Tế bào sao đóng vai trò gì trong việc tạo ra sóng gamma?

Tế bào sao, tế bào thần kinh đệm hình sao bao quanh khớp thần kinh, là những nhân tố đóng góp thiết yếu cho dao động gamma. Chặn sự truyền tín hiệu của chúng làm rút ngắn các dao động gamma, và gây ra rối loạn chức năng của chúng sẽ làm giảm công suất gamma trong não ngay cả khi sự truyền tin từ neuron sang neuron truyền thống vẫn nguyên vẹn.

Sóng gamma phối hợp với các nhịp điệu não khác như thế nào?

Các dao động gamma tích hợp với các nhịp điệu chậm hơn như alpha và beta thông qua sự đồng bộ pha chéo tần số. Sự phối hợp này cho phép xử lý đặc điểm cục bộ, nhanh ở sóng gamma được liên kết cùng với hoạt động thiết lập bối cảnh rộng hơn ở các nhịp điệu chậm hơn trong các nhiệm vụ như tính nhẩm.

Hoạt động gamma liên kết với trí nhớ làm việc như thế nào?

Sự đồng bộ băng tần gamma mạnh lên khi tải lượng trí nhớ làm việc tăng lên, đặc biệt là khi được khóa pha với các dao động alpha. Sự đồng bộ hóa này theo dõi nhu cầu nhận thức cần thiết để giữ và xử lý thông tin trong thời gian ngắn.

Mối liên hệ giữa công suất gamma và trí nhớ nhận diện là gì?

Công suất gamma dường như cần thiết cho trí nhớ nhận diện, vì việc giảm nó thông qua rối loạn chức năng tế bào sao sẽ làm suy giảm chọn lọc khả năng nhận diện vật thể mới. Khi công suất gamma được phục hồi, khả năng trí nhớ nhận diện sẽ hồi phục, trong khi các loại trí nhớ khác không bị ảnh hưởng.

Tại sao hướng chuyển tiếp tiến của sóng gamma lại có ý nghĩa quan trọng?

Sự lan truyền chuyển tiếp tiến từ vỏ não thị giác sơ cấp (V1) đến vùng thị giác cao hơn (V4) xác nhận rằng gamma hoạt động như một cơ chế truyền tải nhanh chóng. Lực đẩy có hướng này hỗ trợ việc chuyển nhanh các chi tiết cảm giác từ các giai đoạn xử lý thấp hơn lên cao hơn, cho phép nhận thức nhất quán.