脑机启侦｜神经平衡与大脑成熟度和认知能力有关（11.5）

图片来源：美国国家科学院院刊

生活中存在着各种各样的外部刺激或内部刺激，这些刺激有可能会导致人体系统失衡，那么大脑是如何防止自己受到过度刺激的呢？

答案在于我们的大脑能够维持神经兴奋（E）和抑制（I）之间的平衡，这被称为E/I比率。通过调节E/I比率，大脑能够避免兴奋过度和兴奋不足。

研究介绍

根据新加坡国立大学医学院睡眠与认知中心研究人员的研究，随着儿童的健康成长，他们的E/I比率会降低。研究发现，在记忆和智力等认知测试中，E/I比率较低的儿童表现优于同龄人。

为了探究E/I比率与大脑成熟之间的联系，博士生张少石带领他的研究团队进行了相关研究。团队成员还包括新加坡国立大学医学院睡眠与认知中心的副教授托马斯·叶、明尼苏达大学的助理教授巴特·拉森以及宾夕法尼亚大学的副教授西奥多·萨特思韦特。该研究团队通过研究来自美国和新加坡的885名儿童、青少年和年轻成年人的磁共振成像（MRI）大脑扫描，观察了青少年E/I比率的变化。

E/I比率是儿童和青少年时期不断变化和发展的一个方面。新加坡的数据队列来自“GUSTO”，这是新加坡规模最大、最全面的出生队列研究，旨在帮助下一代更健康地成长。

研究人员将E/I比率比作大脑的阴阳，他们发现，过度兴奋或过度抑制都是有害的，会增加患自闭症、阿尔茨海默病和精神分裂症等大脑疾病的风险。

在不太严重的情况下，过度兴奋的人可能会在社交场合过度思考，导致焦虑。实际上，苯二氮䓬类药物（如Xanax）是缓解焦虑症状的一种常用药，它通过增加神经抑制来减少神经兴奋。在更严重的情况下，过度兴奋可能导致癫痫发作。

而在另一端，过度抑制则表明大脑活动缺失，使人处于植物人状态。因此，抑制是用来平衡兴奋的。总的来说，一个平衡的E/I比率对于大脑的正常功能至关重要。

研究方法

尽管E/I比率对大脑健康至关重要，但在不使用侵入性技术的情况下，很难测量人类大脑中的E/I比率。因此，研究团队开发了一种结合人工智能和生物物理建模的技术，可以从非侵入性、非放射性的MRI扫描中推断出E/I比率。研究团队通过一项实验验证了其估计的E/I比率的准确性，在实验期间，参与者服用了抗焦虑药物（Xanax）或安慰剂。

研究团队的假设是，一旦摄入Xanax，抑制会增加，因此总体E/I比率会降低。为了验证这一假设，研究团队分别在两个不同时间对健康个体进行了扫描。在一次MRI扫描前给参与者服用Xanax，在另一次MRI扫描前服用安慰剂。对于某些参与者，可能在第一次扫描时服用Xanax，而对于另一些参与者，可能在第二次扫描时服用Xanax。

所有参与这项实验的人都不知道MRI扫描时服用的是安慰剂还是抗焦虑药物。研究团队发现，与服用安慰剂相比，参与者在服用Xanax后，估计的E/I比率标记确实更低，从而验证了他们的技术。

然后，研究团队继续使用MRI大脑扫描来研究来自新加坡和美国的一个由1000多名儿童、青少年和年轻成年人组成的大样本的大脑发育情况。他们发现，随着健康成长，E/I比率会降低。

接下来，为了建立E/I比率与认知功能之间的联系，研究团队根据参与者在某些认知测试中的得分，将7至23岁的参与者分为高表现组和低表现组。他们发现，高表现组的E/I比率低于同龄的其他参与者，这表明随着E/I比率在发育过程中的成熟，认知能力也会提高。

研究未来

除了对神经发育的研究外，研究团队还热衷于应用他们的方法来获得对各种大脑疾病的机制见解，通过研究健康参与者和患有精神障碍的患者之间E/I比率的差异来实现。研究团队还旨在研究E/I比率如何随着人们年龄的增长而变化，以深入了解阿尔茨海默病等神经退行性疾病。

该研究的主要研究者、同样来自新加坡国立大学设计与工程学院的副教授叶教授补充道：“这项研究加深了我们对大脑发育的理解，并指出了了解青少年精神病理学出现途径的潜在途径。希望这些发现能够帮助我们找出哪些大脑回路容易过度兴奋或过度抑制，或确定某个特定患者的异常大脑区域。这将更多地揭示如何根据个体定制药物或大脑刺激，从而在长远上影响大脑疾病的治疗过程。”