神经元在执行同一任务时，其电活动往往存在波动，即便最终结果相同。一项新研究表明，大脑活动中大量持续性波动，可由局部电场对神经元施加的影响来解释——这一现象被称为"ephaptic coupling"（场效应耦合）。该研究发表于《大脑皮层》期刊，进一步证明大脑电场是调控底层脑功能的重要控制信号。
"大脑是一片汹涌的电影响之海，"研究共同作者、麻省理工学院皮卡尔学习与记忆研究所神经科学皮卡尔教授Earl K. Miller表示，"但传统的脑功能研究视角，仅聚焦于单个神经元之间的放电与突触连接。如今，越来越多的证据表明电场效应的存在。例如，本研究表明，神经活动的变异性可由场效应耦合对神经活动的影响来解释。"
2022年至2023年间，Miller与合著者、伦敦城市圣乔治大学副教授Dimitris Pinotsis发表了多项研究，证明大脑皮层中的局部电场不仅比任何单个神经元更能反映神经元正在处理的信息，还能主动组织执行该处理过程的底层神经放电。如同乐队指挥，电波能够引导大批神经元"演奏同一旋律"。他们进一步提出理论：电场通过"细胞电耦合"在物理层面影响大脑结构，即电场改变神经元的细胞骨架，使其优化为同步振荡。
由于电场可被人为调控，Miller与Pinotsis在新研究中指出，理解电场如何影响瞬时脑功能，可能为治疗干预打开大门——当脑功能在疾病中出现障碍时，或可借此加以改善。研究人员表示，逐一调整每一个神经连接极为困难，但场效应耦合表明，在电场层面进行干预即可实现这一治疗目标。
"经过合理设计的电场操控，有望帮助患者重塑受损的神经回路，"Pinotsis与Miller写道。
在此前的研究中，两人分析了时间平均信号，记录了皮层中局部（"中尺度"）电场虽源于单个神经元的电活动，但最终能够代表并协调其整体功能这一规律。可以这样理解：神经元如同个体公民，电场则是其政府。公民以各自的选票建立政府后，便受到政府所制定和执行的法律的约束与统一。
在新研究中，研究团队进一步探讨：中尺度电场是否不仅在工作记忆任务的整体过程中发挥场效应耦合作用，还能在逐次试验中产生影响？毕竟，这更接近于真实脑操作的时间尺度，对健康功能与疾病状态均具有重要意义。
为此，研究人员重新分析了动物执行简单视频游戏时记录的数据。实验中，动物被呈现屏幕上六个位置之一的光点，光点消失后，动物须将其位置保持在记忆中，并在收到提示时通过眼神示意光点出现的方向，以此获得奖励。与此同时，研究人员记录了神经电放电及更具集体性的局部场电位，并据此计算出每一时刻的局部主导电场。
统计分析得出了若干发现。其一，如预期所示，神经活动在任务执行过程中逐次试验间存在有时相当显著的波动。其二，通过一种名为"格兰杰因果关系"的数学方法，研究发现电场与神经活动之间的影响方向强烈倾向于电场主导——换言之，在两者的耦合关系中，电场占据主导地位。
"我们发现，由神经活动产生、通过局部场电位捕获的电场，会反过来以自上而下的方式影响这一活动（即场效应耦合），"研究人员写道。
此外，团队的建模与计算表明，电场与神经活动之间场效应耦合的强度，与局部场电位功率的变化幅度成正比——这进一步证明电场对神经活动具有影响。
"变异性越大，自上而下的组织效应越明显，"研究人员写道，"由此呈现出的图景是：电场充当着控制参数的角色。"
本研究由英国医学研究理事会、美国陆军研究办公室、美国海军研究办公室、自由同行基金会及皮卡尔研究所联合资助。
Q&A
Q1：什么是场效应耦合（ephaptic coupling）？它在大脑中如何发挥作用？
A：场效应耦合是指局部电场对神经元活动施加影响的现象。大脑皮层中的局部电场虽由单个神经元的电活动产生，但形成后会反过来以自上而下的方式影响神经元的放电活动，起到组织和协调神经元集体行为的作用，类似于乐队指挥引导演奏者同步演奏。
Q2：电场对神经活动的影响方向是怎样的？
A：研究通过格兰杰因果关系分析发现，电场与神经活动之间的影响方向强烈倾向于电场主导。也就是说，电场并非被动反映神经活动，而是主动对神经活动施加自上而下的控制，且场效应耦合的强度与局部场电位功率的变化幅度成正比。
Q3：场效应耦合研究对疾病治疗有什么潜在价值？
A：由于电场可被人为调控，研究人员认为，理解电场如何影响瞬时脑功能，可能为神经疾病的治疗干预提供新思路。相比逐一调整每一个神经连接，在电场层面进行干预更具可行性，有望帮助患者重塑受损的神经回路，改善因疾病导致的脑功能障碍。
