大脑皮层伴随着节奏性的电活动而活跃，这可以通过脑电图（EEG）在头皮上测量得到。在这些振荡中，伽马波脱颖而出，其放电速度最快，约为每秒 30 至 100 次。伽马节律反映了分布在不同网络中的数千个神经元之间短暂、精准定时的同步，这为大脑提供了一种机制，用于将感官细节整合为统一的认知，并在脑海中保留信息。
广泛的研究将同步的伽马活动与注意力、记忆和意识加工等认知功能联系起来。本文探讨了伽马振荡的生理产生机制、如何解读脑电图谱中的伽马功率，以及为什么伽马频段同步性的破坏对于理解神经和精神疾病变得越来越重要。
什么是伽马波？
伽马波是神经活动中以较高频率出现的节律性模式。它们反映的是神经元群中电活动的时间同步性，而非单一的想法、情绪或精神状态。
研究人员针对伽马波与感知、注意力、记忆以及脑区之间交流的关系展开研究。虽然这个术语很有用，但不应将其简单地视为代表巅峰智力或意识的标签。
伽马波的特征
伽马活动通常被描述为快速振荡，但其振幅、时机和位置与名义频率一样重要。在感知任务期间的短暂爆发与在清醒状态下记录的持续高频活动可能具有不同的意义。因此，研究人员会考虑伽马功率是否发生变化、脑区之间的活动是否同步，以及该模式是否在时间上与某一事件锁定。
该信号还容易受到肌肉活动、身体运动和电噪声的干扰。这对于头皮记录尤为关键，因为头皮记录中的某些高频活动可能反映的是非神经源的信号。
如何测量伽马波脑活动
可以通过几种方法来测量伽马活动，每种方法在时间分辨率、空间信息以及对伪影的敏感度之间提供了不同的平衡。
头皮 EEG 记录与同步神经活动相关的电压变化，并提供毫秒级的时间分辨率。脑磁图（MEG）则记录由神经电流产生的磁场，为振荡活动提供了另一种无创的观测视角。
分析通常从预处理开始，包括移除或标记运动、眼部、肌肉和电伪影。研究人员随后可能会计算谱功率、相位同步、事件相关变化或时频表示。分析方法的选择会实质性地影响是否能检测到短暂爆发、持续节律或跨区域关系。
对结果的解读还取决于电极放置、参考选择、样本量、统计控制以及记录期间执行的任务。头皮上的高频信号对脸部和头皮肌肉活动可能尤为敏感。
因此，一个可靠的结论应当结合信号质量检查与行为或临床数据，而不是将彩色的图表直接视为诊断结果。
脑内的伽马波源自何处
伽马振荡源自大脑皮层内局部回路的协同行为，由神经元和一类曾被认为没有快速信号传导作用的支持细胞共同塑造。
从猴子初级视觉皮层（V1）所有层采集的记录表明存在一种层级结构。据报道，伽马波在输入层 4 中产生，然后向上转播到浅表层，向下传播到皮层的深层。这种模式与感觉信息从丘脑流向高阶皮层区域的过程相平行，明确地将伽马波标记为一种前馈信号——大脑将新颖的细节快速向前推送以进行进一步分析的方式。
这种层级起源告诉我们，伽马波是一种局部回路现象，可以穿过皮层柱的各个层进行辐射。然而，这些快速节律的产生取决于一个令人意外的参与者。
在海马切片制备中，选择性阻断星形胶质细胞（围绕突触的星形胶质细胞）释放信号分子会显著缩短化学诱导的伽马振荡的持续时间。基于这一点，在具有诱导性星形胶质细胞功能障碍的转基因小鼠模型中，即使传统的神经元间突触传递保持完好，其清醒行为脑中的 EEG 伽马功率也出现了明显下降。
由此看来，星形胶质细胞是维持伽马波所需的快速网络动力学中不可或缺的贡献者。
伽马波如何协调神经同步性
伽马波的前馈传播并不局限于单一区域。上述同时来自 V1 和高阶视觉区 V4 的记录表明，伽马波在前馈方向上传播：当视觉刺激首次冲击皮层时，V1 中的伽马同步会先于并驱动 V4 中的伽马波。
通过微刺激 V1 并观察到其直接引起下游 V4 中的伽马振荡，确立了因果关系。这种定向推送使得伽马波成为将感觉细节从较低处理阶段快速传输到较高处理阶段的候选机制。
但伽马振荡并不是孤立运作的。皮层处理同时涉及多个频段，这提出了一个问题：光谱上分离的流是如何集成的。
在对进行连续心算健康成人的脑磁图研究中，研究人员发现 alpha（约 10 Hz）、beta（约 20 Hz）和 gamma（约 30-40 Hz）振荡之间存在强大的跨频相位同步。这些任务——要求在工作记忆中保持和累加数字——不仅增强了经典频段内的同步，尤其是增强了伽马和 alpha 频段之间的相位耦合。
至关重要的是，当任务变得要求更高（增加保留的项目数量）时，最显著的同步提升恰好出现在伽马和 alpha 之间。这一发现表明，伽马是连接较慢、空间分布更广的节律，使其融入协调一致的认知时刻的网络中的关键节点。
这种跨频协调提供了一种合理的机制，解释了大脑如何将快速、局部的特征处理（伽马）与更广泛的、设定背景的活动（alpha）整合在一起。
伽马振荡在工作和再认记忆中的作用
将伽马同步与特定的记忆系统联系起来，能让其功能图景更加清晰。上述心算任务表明，随着工作记忆负荷的增加，伽马频段的同步（特别是与 alpha 振荡相位锁定的时候）会增强。伽马和 alpha 频率之间的同步追踪了在数秒内保持和操作信息所需的认知需求。
来自另一个记忆领域（再认记忆）的证据进一步支持了伽马功率与行为之间的因果关系，而在这里，星形胶质细胞的关联起到了决定性作用。由于星形胶质细胞破伤风毒素的表达导致皮层伽马功率降低的同种转基因小鼠，在新型物体识别测试（一种区分熟悉和新颖物体的标准实验）中也表现不佳。
值得注意的是，其他记忆能力——迷宫中的工作记忆和恐惧条件反射——没有发生改变。这种缺陷是专门针对再认记忆的，而当毒素表达被抑制时，伽马功率和新型物体识别表现都得到了恢复。这些环环相扣的观察指向了伽马振荡在支撑熟悉度检测的回路中具有潜在作用。
更广泛地说，一份关于皮层网络中振荡同步性的综述将伽马频段活动归类于与感知分组、注意力依赖的刺激选择、子系统整合、工作记忆和意识相关的节律。当需要跨越遥远的神经群体进行协调时，伽马同步似乎总会一致地出现。
它在从视觉绑定到心理加法等各种任务中的存在，强调了伽马并不是专用于单一认知领域的；相反，它是一种 Flex 的时间工具，每当大脑需要快速整合信息时，就会部署它。
伽马异常是观察大脑疾病的窗口
由于伽马同步支持核心认知操作，伽马频段的变化可以作为潜在病理的信号。
精神分裂症提供了研究最多的例子之一。一项事件相关 EEG 研究在简单的听觉奇球任务期间对比了 22 名健康对照者和 21 名接受药物治疗的患者。通过使用时频分析，研究人员测量了在标准音后最初 100 毫秒内的伽马频段（36–50 Hz）相位锁定——即各次测试中神经反应在时间上对齐的一致性。
健康受试者在 20 到 60 毫秒之间在额叶电极处表现出明显的相位锁定。而在精神分裂症组中，这种早期诱发的伽马同步性显著降低（P = .03），这表明该大脑疾病患者的大脑对听觉刺激的初始同步化似乎存在缺陷。
这一发现与更广泛的研究工作相一致，表明精神分裂症涉及异常的神经振荡和同步，特别是在伽马频段，且这些异常与认知功能障碍和症状有关。伽马相位锁定的降低可能代表了一种病理生理机制，导致了该疾病特有的思维和感知碎裂。
虽然该研究强调了伽马同步作为生物标志物的潜力，但它也提醒人们，包括具体时频分解参数在内的分析方法的选择，会极大地影响结果，而且先前的研究并不总能检测到相同的缺陷。然而，新出现的共识将伽马频段同步列为理解并最终对神经精神状况进行分型最前途的电生理线索之一。
为什么伽马波对大脑协调和健康至关重要
伽马波是大脑最快的节律，起着时间信号的作用，能将不同的信息片段整合为协调的精神体验。在此，我们表明这些节律既取决于神经元，也取决于特化的支持细胞，并且它们通过皮层向前移动，作为将新接收的感觉细节向后传送以作进一步处理的一种方式。然而，伽马波并不孤立工作；当任务需要更多工作记忆时，它会与较慢的节律（如 alpha 波）锁定，这揭示了 Flex 的认知有赖于精确的跨频协调。
这种时序的扭曲可能预示着疾病。在实验中，当支持细胞功能被禁用时，伽马功率下降，再认记忆受损；而精神分裂症患者对简单声音的早期伽马反应则有所减弱。
这些发现支持将伽马同步作为大脑整合信息状况的潜在标志物，而不是将其视为任何疾病已证实的成因。测量个体的伽马节律最终可能帮助临床医生检测和监测大脑最快信号传导失步的疾病。
参考文献
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常见问题
什么是伽马波？为什么它们对大脑功能很重要？
伽马波是大脑最快的节律性电活动，可以通过脑电图（EEG）进行测量。它们使跨网络的神经元能够快速同步，从而帮助将感觉细节结合为统一的感知，并支持注意力、记忆和意识加工等认知功能。
大脑中的伽马波源自何处？它们又是如何传播的？
伽马波源于大脑皮层的输入层（第 4 层），然后向浅表层和深层传播。这种模式与感觉信息的流动相平行，标志着伽马波是一种前馈信号，能够快速将新颖的细节向前推送以进行高阶分析。
星形胶质细胞在产生伽马波中起什么作用？
星形胶质细胞是突触周围的星形胶质细胞，是维持伽马振荡必不可少的贡献者。阻断它们的信号传导会缩短伽马振荡，而导致其功能障碍会减少大脑中的伽马功率，即使传统的神经元间传递保持完好也是如此。
伽马波如何与其他大脑节律相协调？
伽马振荡通过跨频相位同步与较慢的节律（如 alpha 和 beta 节律）进行整合。这种协调使得在诸如心算等任务期间，伽马波中的快速局部特征处理能够与较慢节律中更广泛的背景设定活动联系在一起。
伽马活动与工作记忆有什么联系？
随着工作记忆负荷的增加，伽马频段的同步会增强，特别是在与 alpha 振荡相位锁定时。这种同步追踪了短时间内保持和操作信息所需的认知需求。
伽马功率与再认记忆之间有什么联系？
伽马功率对于再认记忆似乎是必不可少的，因为通过星形胶质细胞功能障碍降低其功率会选择性地损害对新物体的识别。当伽马功率恢复时，再认记忆能力就会恢复，而其他记忆类型则不受影响。
为什么伽马波的前馈方向具有重要意义？
从初级视觉皮层（V1）到高阶视觉区（V4）的前馈传播，证实了伽马波作为一种快速传输机制在起作用。这种定向推送支持了感觉细节从较低处理阶段向较高处理阶段的快速转移，从而实现连贯的感知。
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克里斯蒂安·布尔戈斯
