大腦皮質伴隨著節律性的電活動而嗡嗡作響，這些電活動可在頭皮上測量為腦電圖（EEG）。在這些振盪中，伽馬波最為突出，其發射速度最快，大約為每秒 30 到 100 次循環。伽馬節律反映了分佈式網絡中數千個神經元之間瞬時且精確計時的同步性，這提供了大腦用來將感官細節結合為統一感知以及在腦中保留信息的機制。
廣泛的研究將同步的伽馬活動與注意力和記憶以及有意識的處理等認知功能聯繫起來。本文探討了伽馬振盪的生理產生器、如何解讀腦電圖頻譜中的伽馬功率，以及為什麼伽馬頻段同步性的破壞對於理解神經系統和精神系統疾病越來越重要。
什麼是伽瑪波？
伽瑪波是神經活動中以相對高頻發生的節律性模式。它們反映的是神經元群體中電活動的時間安排，而非單一的思想、情緒或精神狀態。
研究人員針對大腦區域之間的感知、注意力、記憶和交流，對其進行研究。這個術語很有用，但不應被視為頂尖智力或意識的簡單標籤。
伽瑪波的特徵
伽瑪活動通常被描述為快速振盪，但其振幅、時間和位置與其標稱頻率同樣重要。在感知任務期間的短暫爆發，可能與在覺醒期間記錄的持續高頻活動具有不同的含義。因此，研究人員會考慮伽瑪功率是否發生變化、各區域之間的活動是否同步，以及該模式是否與事件時間鎖定。
該信號也可能容易受到來自肌肉活動、運動和電雜訊的干擾。這對於頭皮記錄特別重要，因為某些高頻活動可能反映了非神經來源。
如何測量伽瑪波大腦活動
伽瑪活動可以通過幾種方法進行測量，每種方法在時間、空間資訊以及對偽影的敏感性之間提供了不同的平衡。
頭皮 EEG 記錄 與同步神經活動相關的電壓變化，並提供毫秒級的時間解析度。腦磁圖（MEG）記錄由神經電流產生的磁場，並提供另一種非侵入式的振盪活動檢視。
分析通常始於預處理，包括移除或標記運動、眼睛、肌肉和電偽影。研究人員隨後可以計算光譜功率、相位同步、事件相關變化或時間-頻率表示。方法的選擇會實質影響是否能偵測到短暫爆發、持續節律或跨區域關係。
詮釋還取決於電極放置、參考選擇、樣本量、統計控制以及記錄期間執行的任務。頭皮處的高頻信號對面部和頭皮肌肉活動可能特別敏感。
因此，一個可靠的結論會將信號品質檢查與行為或臨床數據結合起來，而不是將彩色圖表視為診斷。
伽瑪波在大腦中的起源地
伽瑪振盪源自大腦皮層內局部迴路的協調行為，由神經元和一類曾被認為沒有快速信號傳導作用的支援細胞共同塑造。
從獼猴初級視覺皮層（V1）所有層獲取的記錄表明存在層級結構。據報導，伽瑪波起源於輸入第 4 層，然後向上傳播到淺層，向下傳播到大腦皮層的深層。這種模式與從丘腦流向高階皮層區域的感官資訊流平行，特別將伽瑪標記為一種前饋信號——大腦將新穎細節快速推向前進以供進一步分析的方式。
這種層級起源告訴我們，伽瑪是一種局部迴路現象，可以透過皮層柱的各層進行輻射。然而，這些快速節律的產生取決於一個令人驚訝的參與者。
在海馬體切片製備中，選擇性阻斷星形膠質細胞（圍繞突觸的星形膠質細胞）釋放信號分子，會顯著縮短化學誘導的伽瑪振盪的持續時間。基於這一點，一項具有誘導性星形膠質細胞功能障礙的轉基因小鼠模型顯示，在清醒行為的大腦中，EEG 伽瑪功率顯著降低，即使傳統的神經元間突觸傳遞保持完好。
星形膠質細胞似乎是維持伽瑪的快速網絡動力學的重要貢獻者。
伽瑪波如何協調神經同步
伽瑪波的前饋傳播不限於單一區域。上述來自 V1 和較高視覺區域 V4 的同時記錄表明，伽瑪波向前饋方向傳播：當視覺刺激首次到達皮層時，V1 中的伽瑪同步會先於並驅動 V4 中的伽瑪。
因果關係是通過微刺激 V1 並觀察其直接引發下游 V4 中的伽瑪振盪來確立的。這種方向性推動使伽瑪成為將感官細節從較低處理階段快速傳輸到較高處理階段的候選者。
但伽瑪振盪並非孤立運作。皮層處理同時涉及多個頻帶，這提出了一個問題，即如何整合光譜上分離的流。
在對執行連續心算健康成人進行的一項腦磁圖研究中，研究人員發現alpha（~10 Hz）、beta（~20 Hz）和 gamma（~30-40 Hz）振盪之間存在強大的跨頻率相位同步。這些需要在大腦工作記憶中保持和加總數字的任務，不僅增強了傳統的頻帶內同步，尤其是增強了伽瑪和 alpha 頻帶之間的相位耦合。
至關重要的是，當任務變得更具挑戰性（增加保留的項目數量）時，同步性最顯著的提升恰好出現在伽瑪和 alpha 之間。這一發現表明，伽瑪在大網中充當關鍵節點，將較慢、空間分佈更廣的節律綁定為一個協調的認知時刻。
跨頻率協調為大腦如何將快速、局部的特徵處理（伽瑪）與更廣泛的背景設置活動（alpha）相整合，提供了一種合理的機制。
伽瑪振盪在工作和再認記憶中的作用
將伽瑪同步與特定的記憶系統聯絡起來，使功能圖像更加清晰。上述心算任務表明，隨著工作記憶負荷的增加，伽瑪頻帶同步（尤其是與 alpha 鎖相時）會增強。伽瑪和 alpha 頻率之間的同步追蹤了在數秒內保持和操作資訊的認知需求。
來自不同記憶領域（再認記憶）的證據進一步支援了伽瑪功率與行為之間的因果關係，而在此星形膠質細胞的連結起到了決定性作用。由於星形膠質細胞破傷風毒素表達而導致皮層伽瑪功率降低的相同轉基因小鼠，在新型物體識別測試中表現也較差，這是區分熟悉與新穎物品能力的標準測定。
值得注意的是，其他記憶能力（迷宮中的工作記憶和恐懼制約）保持不變。該缺陷特別存在於再認記憶中，而當毒素表達被抑制時，伽瑪功率和新穎物體識別表現均得到恢復。這些連鎖觀察指向了伽瑪振盪在熟悉度檢測底層迴路中的潛在作用。
更廣泛地說，一項對皮層網絡中振盪同步的評論將伽瑪頻帶活動歸類於與知覺分組、注意力依賴的刺激選擇、子系統整合、工作記憶和意識相關的節律中。當需要跨越遙遠神經群體的協調時，伽瑪同步似乎總是會出現。
它在從視覺綁定到心算等各類任務中的存在，強調了伽瑪並不專門用於單一認知領域；相反，它是大腦在需要快速整合資訊時部署的Flex性時間工具。
伽瑪異常作為了解大腦疾病的窗口
因為伽瑪同步支援核心認知操作，伽瑪頻帶的改變可以信號化潛在的病理學。
精神分裂症提供了研究最多的例子之一。一項事件相關 EEG 研究比較了 22 名健康對照者和 21 名接受藥物治療的患者在簡單聽覺古怪任務期間的情況。使用時間-頻率分析，研究人員測量了在標準音調後的前 100 毫秒內，伽瑪頻帶（36-50 Hz）相位鎖定——即神經反應在各試驗中時間對齊的一致性。
健康受試者在 20 至 60 毫秒之間的額葉電極處表現出顯著的相位鎖定。在精神分裂症組中，這種早期誘發的伽瑪同步顯著降低（P = .03），表明大腦對聽覺刺激的初始同步在該大腦疾病中似乎存在缺陷。
這一發現與更大規模的研究工作相一致，表明精神分裂症涉及異常的神經振盪和同步，特別是在伽瑪頻帶，並且這些異常與認知功能障礙和症狀有關。降低的伽瑪相位鎖定可能代表一種病理生理機制，導致該疾病特有的思維和知覺碎片化。
雖然該研究強調了伽瑪同步作為生物標誌物的潛力，但也提醒方法學的選擇（包括特定的時間-頻率分解參數）會嚴重影響結果，且先前的研究並非總能檢測到相同的缺陷。然而，新出現的共識將伽瑪頻帶同步置於理解並最終對神經精神狀況進行分層的最有前景的電生理學線索中。
為什麼伽瑪波對大腦協調與健康至關重要
伽瑪波是大腦最快的節律，充當將零散資訊拉入協調心理體驗的時間信號。在此我們展示了這些節律取決於神經元和專門的支援細胞，並且它們在皮層中向前移動，以此作為將新到達的感官細節傳遞下去以供進一步處理的方式。然而，伽瑪並非單獨運作；當任務需要更多工作記憶時，它會與較慢的節律（如 alpha）鎖定，這揭示了Flex性的認知建立在精確的跨頻率協調之上。
這種時間安排的扭曲可能預示著疾病。在實驗中當支援細胞功能被禁用時，伽瑪功率下降且再認記憶受損，而精神分裂症患者對簡單聲音的早期伽瑪反應減弱。
這些發現支持將伽瑪同步視為大腦整合資訊良好程度的潛在標記，而非任何病症的已證實原因。測量個人體內的伽瑪節律最終可能有助於臨床醫生檢測和監測大腦最快信號失步的障礙。
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常見問題
什麼是伽瑪波？為什麼它們對大腦功能很重要？
伽瑪波是大腦最快的節律性電活動，可使用 EEG 進行測量。它們使網絡間的神經元能夠快速同步，這有助於將感官細節結合成統一的感知，並支援注意力、記憶和意識處理等認知功能。
伽瑪波起源於大腦的何處？它們如何傳播？
伽瑪波起源於大腦皮層的輸入層（第 4 層），然後傳播到淺層和深層。這種模式與感官資訊流平行，將伽瑪標記為一種前饋信號，可快速將新穎細節推向前進以進行高階分析。
星形膠質細胞在產生伽瑪波中扮演什麼角色？
星形膠質細胞是圍繞突觸的星形膠質細胞，是伽瑪振盪的重要貢獻者。阻斷其信號傳導會縮短伽瑪振盪，而導致其功能障礙則會降低大腦中的伽瑪功率，即使傳統的神經元間傳遞保持完好。
伽瑪波如何與其他大腦節律協調？
伽瑪振盪通過跨頻率相位同步與較慢的節律（如 alpha 和 beta）整合。這種協調使得在執行心算等任務期間，伽瑪中的快速、局部特徵處理能與較慢節律中更廣泛的背景設置活動聯絡在一起。
伽瑪活動如何與工作記憶聯絡起來？
隨著工作記憶負荷的增加，伽瑪頻帶同步會增強，尤其是當與 alpha 振盪鎖相時。這種同步追蹤了在短期內保持和操作資訊所需的認知需求。
伽瑪功率與再認記憶之間有何關係？
伽瑪功率對於再認記憶似乎是必需的，因為通過星形膠質細胞功能障礙降低伽瑪功率，會選擇性地損害新穎物體識別。當伽瑪功率恢復時，再認記憶能力也會恢復，而其他記憶類型則不受影響。
為什麼伽瑪波的前饋方向具有重要意義？
從初級視覺皮層（V1）到較高視覺區域（V4）的前饋傳播證實了伽瑪作為一種快速傳輸機制在運作。這種方向性推動支持將感官細節從較低處理階段快速轉移到較高處理階段，從而實現協調一致的感知。
Emotiv 是一家神經科技領導者，透過可近用的 EEG 和腦部資料工具，協助推動神經科學研究進展。
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克里斯蒂安·布戈斯
