通过一个巨大的神经纤维网络，电信号不断地在大脑中传递。这种复杂的活动最终导致了我们的思想、情绪和行为，但当事情出错时，也可能导致心理健康和神经问题。

脑刺激是治疗这类疾病的新兴疗法。用电脉冲或磁脉冲刺激大脑的某个区域，会通过神经连接网络触发一连串的信号。

然而，目前，科学家们还不太确定这些级联是如何影响整个大脑的活动的，这是一个重要的缺失部分，限制了大脑刺激疗法的益处。

在我们3月7日发表在《神经元》(Neuron)上的最新研究中，我们发现大脑刺激的传播可以用网络数学来预测。

追踪大脑中的电信号

研究人脑中的交流是很困难的。这是因为电信号在大脑的一个部分和另一个部分之间以千分之一秒的速度移动得非常快。

更复杂的是，信号是通过一个极其复杂的神经纤维网络传递的，它连接着大脑的各个区域。这些问题使得科学家甚至很难观察穿过大脑的信号。

然而，在非常特殊和可控的情况下，我们可以使用侵入性电极来精确跟踪大脑信号的传播。侵入性电极是一种通过外科手术插入患者大脑的仪器。

需要强调的是，这种侵入性手术只能在非常特殊的情况下进行，主要目的是帮助患者。在我们的案例中，患者是患有严重癫痫的人。当癫痫患者对药物没有反应时，他们可以选择使用电极来帮助医生更多地了解他们的大脑中可能发生的情况。

我们的研究基于来自北美、亚洲和欧洲20多家医院的550名癫痫患者志愿者。

电极提供了一种用电脉冲轻轻刺激大脑区域的方法，同时记录患者的大脑活动。我们使用放置在大脑不同位置的电极的数据来跟踪电脉冲从一个区域到另一个区域的通信。

作为我们研究的最后一个组成部分，我们使用核磁共振扫描来重建人类大脑的神经纤维网络，即连接体。这给了我们一个物理线路的模型，电信号通过它在大脑中交流。

网络通信的数学

那么，信号是如何通过连接体的复杂连接进行传递的呢?

一种简单的可能性是信号通过连接体中最直接的路径传播。在网络术语中，这意味着电脉冲通过它们之间的中间区域的最短路径从一个区域到另一个区域。

另一种观点是信号通过网络扩散传播。为了理解这一点，想想水是如何沿着管道网络流动的。

每次当水到达网络中的一个结点时，水流就会沿着不同的路径分开。更多的汇合点意味着更多的分流，任何既定路径上的水流都会变弱。然而，如果一些分叉的路径在下游再次相遇，水流的强度就会再次增加。在这个类比中，网络中的所有连接(管道)都有助于形成信号(水)流，而不仅仅是沿着最直接的路径的连接。

我们发现

这两种类型的网络通信——最短路径和扩散流——是解释大脑刺激后电信号如何通过连接体的线路级联的两个相互竞争的假设。今天，科学家们不确定哪种假设最符合大脑中发生的情况。

我们的研究是第一批试图解决这一争论的研究之一。为了做到这一点，我们询问了最短路径或扩散哪种方法最能预测电信号的传播，这是通过患者大脑中的电极测量的。

在分析数据后，我们找到了支持扩散流假说的证据。这意味着有更多的神经连接——而不仅仅是沿着最短路径的神经连接——决定了大脑刺激如何沿着连接体级联。

这对科学家来说是重要的信息，因为它有助于我们理解神经连接的物理线路是如何影响大脑活动和功能的。

接下来是什么?

我们的研究是同类研究中的第一个，需要更多的工作来证实我们的发现。我们希望我们对大脑交流理解的进步也能帮助临床科学家设计出更好的大脑刺激疗法来治疗心理健康问题。

大脑刺激可以帮助“恢复”大脑区域之间失灵的交流。例如，在澳大利亚，非侵入性刺激(在颅骨外进行，不需要手术)是治疗重度抑郁症的一种方法。

在我们未来的研究中，我们将调查这里报道的发现是否可以用于提高这种脑刺激治疗的疗效。

引用最新研究显示，人脑中的电流可以用简单的网络数学来预测(2023,3月8日)