Nervová oscilácia je rytmická alebo opakujúca sa nervová aktivita v centrálnom nervovom systéme. Nervové tkanivo môže generovať oscilačnú aktivitu mnohými spôsobmi, ktoré sú poháňané buď mechanizmami lokalizovanými v jednotlivých neurónoch, alebo interakciami medzi neurónmi. V jednotlivých neurónoch sa oscilácie môžu prejavovať buď ako oscilácie membránového potenciálu, alebo ako rytmické vzory akčných potenciálov, ktoré potom vyvolávajú oscilačnú aktiváciu postsynaptických neurónov. Na úrovni neurónových súborov môže synchronizovaná aktivita veľkého počtu neurónov viesť k makroskopickým osciláciám, ktoré možno pozorovať na elektroencefalograme (EEG). Oscilačná aktivita v skupinách neurónov vo všeobecnosti vzniká zo spätnoväzbových spojení medzi neurónmi, ktoré vedú k synchronizácii ich vzorov vypaľovania. Interakcia medzi neurónmi môže viesť k vzniku oscilácií s inou frekvenciou, ako je frekvencia výpalu jednotlivých neurónov. Známym príkladom makroskopických neurónových oscilácií je alfa aktivita.
Nervové oscilácie pozorovali výskumníci už v čase Hansa Bergera, ale ich funkčná úloha stále nie je úplne pochopená. Medzi možné úlohy neurónových oscilácií patrí viazanie funkcií, mechanizmy prenosu informácií a generovanie rytmického motorického výstupu. V posledných desaťročiach sa podarilo získať viac poznatkov, najmä vďaka pokroku v zobrazovaní mozgu. Hlavná oblasť výskumu v neurovede zahŕňa určenie toho, ako oscilácie vznikajú a aké sú ich úlohy. Oscilačná aktivita v mozgu je široko pozorovaná na rôznych úrovniach pozorovania a predpokladá sa, že zohráva kľúčovú úlohu pri spracovaní nervových informácií. Početné experimentálne štúdie skutočne podporujú funkčnú úlohu nervových oscilácií; jednotná interpretácia však stále chýba.
Simulácia nervových oscilácií pri frekvencii 10 Hz. Horný panel zobrazuje spikovanie jednotlivých neurónov (pričom každá bodka predstavuje individuálny akčný potenciál v rámci populácie neurónov) a dolný panel lokálny potenciál poľa odrážajúci ich súhrnnú aktivitu. Obrázok znázorňuje, ako môžu synchronizované vzory akčných potenciálov vyústiť do makroskopických oscilácií, ktoré možno merať mimo skalpu.
Nervové oscilácie sa pozorujú v celom centrálnom nervovom systéme a na všetkých úrovniach, napr. hrotové vlaky, lokálne potenciály poľa a veľkoplošné oscilácie, ktoré možno merať elektroencefalografiou. Vo všeobecnosti možno oscilácie charakterizovať ich frekvenciou, amplitúdou a fázou. Tieto vlastnosti signálu možno získať z nervových záznamov pomocou časovo-frekvenčnej analýzy. Pri veľkorozmerných osciláciách sa zmeny amplitúdy považujú za dôsledok zmien synchronizácie v rámci neurónového súboru, ktoré sa označujú aj ako lokálna synchronizácia. Okrem lokálnej synchronizácie sa môže synchronizovať aj oscilačná aktivita vzdialených neurónových štruktúr (jednotlivých neurónov alebo neurónových súborov). Neurónové oscilácie a synchronizácia sú spojené s mnohými kognitívnymi funkciami, ako je prenos informácií, vnímanie, motorická kontrola a pamäť.
Neurónové oscilácie sa najčastejšie skúmajú v oblasti nervovej aktivity generovanej veľkými skupinami neurónov. Veľkú aktivitu možno merať technikami, ako je elektroencefalografia (EEG). Signály EEG majú vo všeobecnosti široký spektrálny obsah podobný ružovému šumu, ale odhaľujú aj oscilačnú aktivitu v špecifických frekvenčných pásmach. Prvým objaveným a najznámejším frekvenčným pásmom je alfa aktivita (8 – 12 Hz), ktorú možno zistiť z okcipitálneho laloku počas uvoľnenej bdelosti a ktorá sa zvyšuje, keď sú oči zatvorené. Ďalšie frekvenčné pásma sú: delta (1 – 4 Hz), theta (4 – 8 Hz), beta (13 – 30 Hz) a gama (30 – 70 Hz), pričom rýchlejšie rytmy, ako je gama aktivita, boli spojené s kognitívnym spracovaním. Signály EEG sa počas spánku skutočne dramaticky menia a vykazujú prechod od rýchlejších frekvencií, ako sú vlny alfa, k čoraz pomalším frekvenciám. V skutočnosti sa rôzne štádiá spánku bežne charakterizujú podľa ich spektrálneho obsahu. Následne boli neurálne oscilácie spojené s kognitívnymi stavmi, ako je vedomie a vedomie.
Hoci sa nervové oscilácie v ľudskej mozgovej aktivite skúmajú najmä pomocou EEG záznamov, pozorujú sa aj pomocou invazívnejších záznamových techník, ako sú napríklad záznamy jednotlivých jednotiek. Neuróny môžu generovať rytmické vzory akčných potenciálov alebo hrotov. Niektoré typy neurónov majú tendenciu vystreľovať na určitých frekvenciách, tzv. rezonátoroch. Ďalšou formou rytmických hrotov je bursting. Vzory špicatenia sa považujú za základné pre kódovanie informácií v mozgu. Oscilačnú aktivitu možno pozorovať aj vo forme podprahových oscilácií membránových potenciálov (t. j. v neprítomnosti akčných potenciálov). Ak početné neuróny spikujú synchrónne, môžu vyvolať oscilácie lokálnych potenciálov poľa (LFP). Kvantitatívne modely môžu odhadnúť silu neurónových oscilácií v zaznamenaných údajoch.
Neurónové oscilácie sa bežne skúmajú z matematického hľadiska a patria do oblasti „neurodynamiky“, čo je oblasť výskumu v kognitívnych vedách, ktorá kladie veľký dôraz na dynamický charakter nervovej aktivity pri opise funkcie mozgu. Považuje mozog za dynamický systém a používa diferenciálne rovnice na opis toho, ako sa nervová aktivita vyvíja v čase. Jej cieľom je najmä prepojiť dynamické vzorce mozgovej činnosti s kognitívnymi funkciami, ako je vnímanie a pamäť. Vo veľmi abstraktnej forme možno nervové oscilácie analyzovať analyticky. Pri štúdiu vo fyziologicky realistickejšom prostredí sa oscilačná aktivita zvyčajne študuje pomocou počítačových simulácií počítačového modelu.
Funkcie nervových oscilácií sú široké a líšia sa pre rôzne typy oscilačných aktivít. Príkladom je generovanie rytmickej aktivity, ako je napríklad tlkot srdca, a nervové viazanie zmyslových znakov pri vnímaní, ako je napríklad tvar a farba objektu. Neurónové oscilácie zohrávajú dôležitú úlohu aj pri mnohých neurologických poruchách, ako je nadmerná synchronizácia počas záchvatovej aktivity pri epilepsii alebo tremor u pacientov s Parkinsonovou chorobou. Oscilačná aktivita sa dá využiť aj na ovládanie externých zariadení v mozgovo-počítačových rozhraniach, v ktorých môžu subjekty ovládať externé zariadenie zmenou amplitúdy určitých mozgových rytmov.
Oscilačná aktivita sa pozoruje v celom centrálnom nervovom systéme na všetkých úrovniach organizácie. Všeobecne sa uznávajú tri rôzne úrovne: mikroúroveň (aktivita jedného neurónu), mezoúroveň (aktivita lokálnej skupiny neurónov) a makroúroveň (aktivita rôznych oblastí mozgu).
Tonický vzor vypaľovania jedného neurónu, ktorý vykazuje rytmickú špicatú aktivitu
Neuróny vytvárajú akčné potenciály, ktoré sú výsledkom zmien elektrického membránového potenciálu. Neuróny môžu generovať viacero akčných potenciálov za sebou a vytvárať tzv. spike trains. Tieto spike trains sú základom pre nervové kódovanie a prenos informácií v mozgu. Spike trains môžu vytvárať rôzne druhy vzorov, ako sú rytmické spiky a burstingy, a často vykazujú oscilačnú aktivitu. Oscilačnú aktivitu v jednotlivých neurónoch možno pozorovať aj v podprahových fluktuáciách membránového potenciálu. Tieto rytmické zmeny membránového potenciálu nedosahujú kritický prah, a preto nevyúsťujú do akčného potenciálu. Môžu byť výsledkom postsynaptických potenciálov zo synchrónnych vstupov alebo vnútorných vlastností neurónov.
Neuronálne spiky možno klasifikovať podľa ich vzorcov aktivity. Vzrušivosť neurónov možno rozdeliť do triedy I a II. Neuróny triedy I môžu generovať akčné potenciály s ľubovoľne nízkou frekvenciou v závislosti od sily vstupu, zatiaľ čo neuróny triedy II generujú akčné potenciály v určitom frekvenčnom pásme, ktoré je relatívne necitlivé na zmeny sily vstupu. Neuróny triedy II sú tiež náchylnejšie na vykazovanie podprahových oscilácií membránového potenciálu.
Skupina neurónov môže tiež vytvárať oscilačnú aktivitu. Prostredníctvom synaptických interakcií sa môžu synchronizovať vzory vypaľovania rôznych neurónov a rytmické zmeny elektrického potenciálu spôsobené ich akčnými potenciálmi sa sčítajú (konštruktívna interferencia). To znamená, že synchronizované vzory vypaľovania majú za následok synchronizovaný vstup do iných kortikálnych oblastí, čo vedie k osciláciám lokálneho potenciálu poľa s veľkou amplitúdou. Tieto veľkoškálové oscilácie možno merať aj mimo skalpu pomocou elektroencefalografie a magnetoencefalografie. Elektrické potenciály generované jednotlivými neurónmi sú príliš malé na to, aby sa dali zachytiť mimo skalpu, a aktivita EEG alebo MEG vždy odráža súčet synchrónnej aktivity tisícov alebo miliónov neurónov, ktoré majú podobnú priestorovú orientáciu. Neuróny v neurónovom zoskupení zriedkavo vystrelia všetky v presne rovnakom okamihu, t. j. úplne synchronizovane. Namiesto toho je pravdepodobnosť vypálenia rytmicky modulovaná tak, že neuróny s väčšou pravdepodobnosťou vypália v rovnakom čase, čo spôsobuje oscilácie ich priemernej aktivity (pozri obrázok v hornej časti strany). Frekvencia veľkoplošných oscilácií ako taká nemusí zodpovedať vzorcom vypaľovania jednotlivých neurónov. Izolované kortikálne neuróny za určitých podmienok horia pravidelne, ale v intaktnom mozgu sú kortikálne bunky bombardované vysoko fluktuujúcimi synaptickými vstupmi a zvyčajne horia zdanlivo náhodne. Ak je však pravdepodobnosť veľkej skupiny neurónov rytmicky modulovaná na spoločnej frekvencii, vytvoria oscilácie v strednom poli (pozri aj obrázok v hornej časti strany). Neurónové súbory môžu generovať oscilačnú aktivitu endogénne prostredníctvom lokálnych interakcií medzi excitačnými a inhibičnými neurónmi. Najmä inhibičné interneuróny zohrávajú dôležitú úlohu pri vytváraní synchronizácie neurónového súboru tým, že vytvárajú úzke okno pre účinnú excitáciu a rytmicky modulujú rýchlosť vypaľovania excitačných neurónov.
Nervové oscilácie môžu vznikať aj v dôsledku interakcií medzi rôznymi oblasťami mozgu. Dôležitú úlohu tu zohráva časové oneskorenie. Keďže všetky oblasti mozgu sú obojsmerne prepojené, tieto spojenia medzi oblasťami mozgu vytvárajú spätné väzby. Pozitívne spätné slučky majú tendenciu spôsobovať oscilačnú aktivitu, ktorej frekvencia je nepriamo úmerná času oneskorenia. Príkladom takejto spätnoväzbovej slučky sú spojenia medzi talamom a mozgovou kôrou. Táto talamokortikálna sieť je schopná generovať oscilačnú aktivitu známu ako rekurentná talamo-kortikálna rezonancia. Talamokortikálna sieť zohráva dôležitú úlohu pri generovaní alfa aktivity.
Vedci identifikovali niektoré vnútorné vlastnosti neurónov, ktoré zohrávajú dôležitú úlohu pri generovaní oscilácií membránového potenciálu. Najmä napäťovo riadené iónové kanály sú rozhodujúce pri generovaní akčných potenciálov. Dynamika týchto iónových kanálov bola zachytená v osvedčenom Hodgkinovom-Huxleyho modeli, ktorý opisuje, ako sa akčné potenciály iniciujú a šíria pomocou súboru diferenciálnych rovníc. Pomocou bifurkačnej analýzy možno určiť rôzne oscilačné odrody týchto neuronálnych modelov, čo umožňuje klasifikáciu typov neuronálnych reakcií. Oscilačná dynamika neuronálneho spikingu identifikovaná v Hodgkinovom-Huxleyho modeli sa úzko zhoduje s empirickými zisteniami. Okrem periodického špicovania môžu k oscilačnej aktivite prispievať aj podprahové oscilácie membránových potenciálov, t. j. rezonančné správanie, ktoré nevyúsťuje do akčných potenciálov, a to tým, že uľahčujú synchrónnu aktivitu susedných neurónov. Podobne ako pacemakerové neuróny v centrálnych generátoroch vzorov, podtypy kortikálnych buniek rytmicky vystreľujú výbuchy hrotov (krátke zhluky hrotov) pri preferovaných frekvenciách. Neuróny s burstingom majú potenciál slúžiť ako pacemakery pre synchrónne oscilácie siete a bursty hrotov môžu byť základom alebo posilnením neuronálnej rezonancie.
Ak skupina neurónov vykonáva synchronizovanú oscilačnú aktivitu, neurónový súbor možno matematicky reprezentovať ako jeden oscilátor. Rôzne neurónové súbory sú prepojené prostredníctvom prepojení s dlhým dosahom a vytvárajú sieť slabo prepojených oscilátorov v ďalšej priestorovej mierke. Slabo prepojené oscilátory môžu vytvárať celý rad dynamík vrátane oscilačnej aktivity. Spojenia dlhého dosahu medzi rôznymi mozgovými štruktúrami, ako je napríklad talamus a kôra (pozri talamokortikálna oscilácia), zahŕňajú časové oneskorenia v dôsledku konečnej rýchlosti vedenia axónov. Keďže väčšina spojení je recipročná, vytvárajú spätné slučky, ktoré podporujú oscilačnú aktivitu. Oscilácie zaznamenané z viacerých kortikálnych oblastí sa môžu synchronizovať a vytvoriť rozsiahlu sieť, ktorej dynamiku a funkčnú konektivitu možno študovať pomocou spektrálnej analýzy a meraní Grangerovej kauzality. Koherentná aktivita rozsiahlej mozgovej činnosti môže vytvárať dynamické prepojenia medzi mozgovými oblasťami potrebné na integráciu distribuovaných informácií.
Okrem rýchlych priamych synaptických interakcií medzi neurónmi tvoriacimi sieť je oscilačná aktivita modulovaná neurotransmitermi v oveľa pomalšom časovom rozsahu. To znamená, že je známe, že úrovne koncentrácie určitých neurotransmiterov regulujú množstvo oscilačnej aktivity. Napríklad sa ukázalo, že koncentrácia GABA pozitívne koreluje s frekvenciou oscilácií pri indukovaných stimuloch. Množstvo jadier v mozgovom kmeni má difúzne projekcie po celom mozgu, ktoré ovplyvňujú koncentračné hladiny neurotransmiterov, ako sú noradrenalín, acetylcholín a serotonín. Tieto neurotransmiterové systémy ovplyvňujú fyziologický stav, napr. bdelosť alebo vzrušenie, a majú výrazný vplyv na amplitúdu rôznych mozgových vĺn, napr. alfa aktivity.
Oscilácie možno často opísať a analyzovať pomocou matematiky. Matematici identifikovali niekoľko dynamických mechanizmov, ktoré vytvárajú rytmickosť. Medzi najdôležitejšie patria harmonické (lineárne) oscilátory, oscilátory s limitným cyklom a oscilátory s oneskorenou spätnou väzbou. Harmonické oscilácie sa v prírode vyskytujú veľmi často – príkladom sú zvukové vlny, pohyb kyvadla a vibrácie každého druhu. Všeobecne vznikajú, keď je fyzikálny systém narušený o malý stupeň od stavu s minimálnou energiou, a sú dobre matematicky pochopiteľné. Harmonické oscilátory riadené hlukom realisticky simulujú alfa rytmus v EEG v bdelom stave, ako aj pomalé vlny a vretená v EEG v spánku. Úspešné algoritmy analýzy EEG boli založené na takýchto modeloch. Niekoľko ďalších zložiek EEG sa lepšie opisuje pomocou oscilácií s hraničným cyklom alebo oneskorenou spätnou väzbou. Oscilácie hraničného cyklu vznikajú vo fyzikálnych systémoch, ktoré vykazujú veľké odchýlky od rovnováhy, zatiaľ čo oscilácie s oneskorenou spätnou väzbou vznikajú, keď sa zložky systému navzájom ovplyvňujú s výrazným časovým oneskorením. Oscilácie s medzným cyklom môžu byť zložité, ale na ich analýzu existujú výkonné matematické nástroje; matematika oscilácií s oneskorenou spätnou väzbou je v porovnaní s nimi primitívna. Lineárne oscilátory a oscilátory s limitným cyklom sa kvalitatívne líšia v tom, ako reagujú na fluktuácie na vstupe. V lineárnom oscilátore je frekvencia viac-menej konštantná, ale amplitúda sa môže výrazne meniť. V oscilátore s limitným cyklom býva amplitúda viac-menej konštantná, ale frekvencia sa môže výrazne meniť. Srdcový tep je príkladom oscilácie s medzným cyklom, pretože frekvencia úderov sa značne mení, zatiaľ čo každý jednotlivý úder naďalej pumpuje približne rovnaké množstvo krvi.
Výpočtové modely využívajú rôzne abstrakcie na opis komplexnej oscilačnej dynamiky pozorovanej v mozgovej činnosti. V tejto oblasti sa používa mnoho modelov, pričom každý z nich je definovaný na inej úrovni abstrakcie a snaží sa modelovať rôzne aspekty nervových systémov. Ich rozsah siaha od modelov krátkodobého správania jednotlivých neurónov cez modely toho, ako dynamika neurónových obvodov vzniká z interakcií medzi jednotlivými neurónmi, až po modely toho, ako môže správanie vzniknúť z abstraktných neurónových modulov, ktoré predstavujú úplné subsystémy.
Simulácia Hindmarsh-Roseho neurónu, ktorá ukazuje typické burstingové správanie: rýchly rytmus generovaný jednotlivými hrotmi a pomalší rytmus generovaný burstami.
Model biologického neurónu je matematický opis vlastností nervových buniek alebo neurónov, ktorý je určený na presný opis a predpovedanie biologických procesov. Najúspešnejší a najpoužívanejší model neurónov, Hodgkinov-Huxleyho model, je založený na údajoch z obrovského axónu sépie. Je to súbor nelineárnych obyčajných diferenciálnych rovníc, ktorý aproximuje elektrické charakteristiky neurónu, najmä generovanie a šírenie akčných potenciálov. Tento model je veľmi presný a podrobný a Hodgkin a Huxley zaň v roku 1963 dostali Nobelovu cenu za fyziológiu alebo medicínu.
Matematika Hodgkinovho-Huxleyho modelu je pomerne komplikovaná a bolo navrhnutých niekoľko zjednodušení, ako napríklad FitzHughov-Nagumov model a Hindmarshov-Rosov model. Takéto modely zachytávajú len základnú dynamiku neurónov, ako sú rytmické špičky a bursting, ale sú výpočtovo efektívnejšie. To umožňuje simulovať veľký počet vzájomne prepojených neurónov, ktoré tvoria neurónovú sieť.
Model neurónovej siete opisuje populáciu fyzicky prepojených neurónov alebo skupinu rôznorodých neurónov, ktorých vstupy alebo signalizačné ciele definujú rozpoznateľný obvod. Cieľom týchto modelov je opísať, ako dynamika neurónových obvodov vzniká z interakcií medzi jednotlivými neurónmi. Lokálne interakcie medzi neurónmi môžu viesť k synchronizácii špicatej aktivity a tvoriť základ oscilačnej aktivity. Konkrétne sa ukázalo, že modely vzájomne sa ovplyvňujúcich pyramídových buniek a inhibičných interneurónov vytvárajú mozgové rytmy, ako je napríklad gama aktivita.
Simulácia modelu neurónovej hmoty zobrazujúca špičky siete počas nástupu záchvatu. So zvyšovaním zosilnenia A začne sieť kmitať pri frekvencii 3 Hz.
Modely neurónového poľa sú ďalším dôležitým nástrojom pri štúdiu neurónových oscilácií a predstavujú matematický rámec opisujúci vývoj premenných, ako je napríklad priemerná rýchlosť vypaľovania v priestore a čase. Pri modelovaní aktivity veľkého počtu neurónov je hlavnou myšlienkou previesť hustotu neurónov na hranicu kontinua, čo vedie k priestorovo spojitým neurónovým sieťam. Namiesto modelovania jednotlivých neurónov tento prístup aproximuje skupinu neurónov jej priemernými vlastnosťami a interakciami. Je založený na prístupe stredného poľa, oblasti štatistickej fyziky, ktorá sa zaoberá rozsiahlymi systémami. Modely založené na týchto princípoch boli použité na matematický opis neurónových oscilácií a rytmov EEG. Použili sa napríklad na skúmanie zrakových halucinácií.
Simulácia Kuramotovho modelu zobrazujúca nervovú synchronizáciu a oscilácie v strednom poli
Kuramotov model spojených fázových oscilátorov je jedným z najabstraktnejších a najzákladnejších modelov používaných na skúmanie nervových oscilácií a sychronizácie. Zachytáva aktivitu lokálneho systému (napr. jedného neurónu alebo neurónového súboru) len jeho kruhovou fázou, a teda ignoruje amplitúdu oscilácií (amplitúda je konštantná). Interakcie medzi týmito oscilátormi sa zavádzajú jednoduchou algebraickou formou (napr. funkciou sin) a spoločne vytvárajú dynamický vzor na globálnej úrovni. Kuramotov model sa široko používa na štúdium oscilačnej mozgovej aktivity a bolo navrhnutých niekoľko rozšírení, ktoré zvyšujú jeho neurobiologickú vierohodnosť, napríklad začlenením topologických vlastností lokálnej kortikálnej konektivity. Opisuje najmä to, ako sa môže aktivita skupiny vzájomne sa ovplyvňujúcich neurónov synchronizovať a vytvárať oscilácie veľkého rozsahu. Simulácie s použitím Kuramotovho modelu s realistickou kortikálnou konektivitou s veľkým dosahom a časovo oneskorenými interakciami odhaľujú vznik pomalých vzorových fluktuácií, ktoré reprodukujú funkčné mapy BOLD v pokojovom stave, ktoré možno merať pomocou fMRI.
Jednotlivé neuróny aj skupiny neurónov môžu spontánne vytvárať oscilačnú aktivitu. Okrem toho môžu vykazovať oscilačné reakcie na percepčný vstup alebo motorický výstup. Niektoré typy neurónov sa rytmicky zapaľujú aj bez akéhokoľvek synaptického vstupu. Podobne aj aktivita v celom mozgu odhaľuje oscilačnú aktivitu, zatiaľ čo subjekty nevyvíjajú žiadnu činnosť, tzv. aktivitu v pokojovom stave. Tieto prebiehajúce rytmy sa môžu meniť rôznymi spôsobmi v reakcii na percepčný vstup alebo motorický výstup. Oscilačná aktivita môže reagovať zvýšením alebo znížením frekvencie a amplitúdy alebo môže vykazovať dočasné prerušenie, ktoré sa označuje ako resetovanie fázy. Okrem toho vonkajšia aktivita nemusí vôbec interagovať s prebiehajúcou aktivitou, čo vedie k aditívnej reakcii.
Spontánna aktivita je mozgová aktivita bez explicitnej úlohy, ako je napríklad senzorický vstup alebo motorický výstup, a preto sa označuje aj ako aktivita v pokojovom stave. Je protikladom indukovanej aktivity, t. j. aktivity mozgu, ktorá je vyvolaná zmyslovými podnetmi alebo motorickými reakciami. Termín prebiehajúca mozgová aktivita sa v elektroencefalografii a magnetoencefalografii používa pre tie zložky signálu, ktoré nie sú spojené so spracovaním podnetu alebo výskytom špecifických iných udalostí, ako je napríklad pohyb časti tela, t. j. udalosti, ktoré netvoria evokované potenciály/evokované polia alebo indukovanú aktivitu. Spontánna aktivita sa zvyčajne považuje za šum, ak sa zaujímame o spracovanie podnetov. Spontánna aktivita sa však považuje za kľúčovú úlohu počas vývoja mozgu, napríklad pri tvorbe sietí a synaptogenéze. Spontánna aktivita môže byť informatívna, pokiaľ ide o aktuálny duševný stav osoby (napr. bdelosť, ostražitosť), a často sa využíva pri výskume spánku. Súčasťou spontánnej aktivity sú určité typy oscilačných aktivít, ako sú alfa vlny. Štatistická analýza výkonových fluktuácií alfa aktivity odhaľuje bimodálne rozdelenie, t. j. režim s vysokou a nízkou amplitúdou, a teda ukazuje, že aktivita v pokojovom stave neodráža len proces šumu. V prípade fMRI spontánne fluktuácie signálu závislého od hladiny kyslíka v krvi (BOLD) odhaľujú korelačné vzory, ktoré súvisia so sieťami pokojových stavov, ako je napríklad predvolená sieť. Časový vývoj sietí pokojového stavu je korelovaný s fluktuáciami oscilačnej aktivity EEG v rôznych frekvenčných pásmach.
Prebiehajúca mozgová aktivita môže tiež zohrávať dôležitú úlohu pri vnímaní, pretože môže interagovať s aktivitou súvisiacou s prichádzajúcimi podnetmi. Štúdie EEG skutočne naznačujú, že zrakové vnímanie závisí od fázy aj amplitúdy kortikálnych oscilácií. Napríklad amplitúda a fáza alfa aktivity v okamihu zrakovej stimulácie predpovedá, či subjekt bude vnímať slabý podnet.
V reakcii na vstupné údaje môže neurón alebo súbor neurónov zmeniť frekvenciu, pri ktorej osciluje. Toto je veľmi bežné u jednotlivých neurónov, kde frekvencia vypaľovania závisí od súčtu aktivít, ktoré dostáva. Označuje sa to ako kódovanie rýchlosti. Zmeny frekvencie sa bežne pozorujú aj v centrálnych generátoroch vzorov a priamo súvisia s rýchlosťou motorických činností, ako je napríklad frekvencia krokov pri chôdzi. Zmeny frekvencie nie sú také bežné pri oscilačnej aktivite zahŕňajúcej rôzne oblasti mozgu, keďže frekvencia oscilačnej aktivity často súvisí s časovými oneskoreniami medzi oblasťami mozgu.
Popri evokovanej aktivite môže nervová aktivita súvisiaca so spracovaním podnetov viesť k indukovanej aktivite. Indukovaná aktivita sa vzťahuje na moduláciu prebiehajúcej mozgovej aktivity vyvolanú spracovaním podnetov alebo prípravou pohybu. Odráža teda nepriamu reakciu na rozdiel od evokovaných reakcií. Dobre preskúmaným typom indukovanej aktivity je zmena amplitúdy v oscilačnej aktivite. Napríklad gama aktivita sa často zvyšuje počas zvýšenej mentálnej aktivity, napríklad počas reprezentácie objektov. Keďže indukované odpovede môžu mať pri rôznych meraniach rôzne fázy, a preto by sa pri priemerovaní vyrušili, možno ich získať len pomocou časovo-frekvenčnej analýzy. Indukovaná aktivita vo všeobecnosti odráža aktivitu mnohých neurónov: predpokladá sa, že zmeny amplitúdy v oscilačnej aktivite vznikajú synchronizáciou nervovej aktivity, napríklad synchronizáciou časovania hrotov alebo fluktuácií membránových potenciálov jednotlivých neurónov. Zvýšenie oscilačnej aktivity sa preto často označuje ako synchronizácia súvisiaca s udalosťami, zatiaľ čo jej zníženie sa označuje ako desynchronizácia súvisiaca s udalosťami
Ďalšou možnosťou je, že vstup do neurónu alebo súboru neurónov obnovuje fázu prebiehajúcich oscilácií. Resetovanie fázy je veľmi bežné v jednotlivých neurónoch, kde sa časovanie hrotov prispôsobuje vstupným údajom neurónu. Napríklad neurón môže začať spikovať s pevným oneskorením v reakcii na periodický vstup, čo sa označuje ako uzamknutie fázy. K resetovaniu fázy môže dôjsť aj na úrovni neurónových súborov, keď sa fázy viacerých neurónov upravujú súčasne. Fázové resetovanie prebiehajúcich oscilácií súboru poskytuje alternatívne vysvetlenie pre potenciály súvisiace s udalosťami získané spriemerovaním viacerých pokusov EEG vzhľadom na začiatok podnetu alebo udalosti. To znamená, že ak sa fáza prebiehajúcich oscilácií vynuluje na pevnú fázu počas viacerých pokusov, oscilácie sa už nebudú spriemerovávať, ale sčítajú sa a vznikne potenciál súvisiaci s udalosťou. Okrem toho je resetovanie fázy alebo uzamknutie fázy zásadné aj pre synchronizáciu rôznych neurónov alebo rôznych oblastí mozgu. V tomto prípade sa časovanie hrotov fázovo uzamkne na aktivitu iných neurónov namiesto na vonkajší vstup.
Termín evokovaná aktivita sa v elektroencefalografii a magnetoencefalografii používa pre reakcie v mozgovej činnosti, ktoré priamo súvisia s aktivitou súvisiacou s podnetom. Evokované potenciály a potenciály súvisiace s udalosťami sa získavajú z elektroencefalogramu priemerovaním s uzamknutým stimulom, t. j. priemerovaním rôznych pokusov s pevne stanovenými latenciami okolo prezentácie stimulu. V dôsledku toho sa zachovávajú tie zložky signálu, ktoré sú rovnaké v každom jednotlivom meraní, a všetky ostatné, t. j. prebiehajúca alebo spontánna aktivita, sa spriemerujú. To znamená, že potenciály súvisiace s udalosťami odrážajú len oscilácie mozgovej aktivity, ktoré sú fázovo viazané na podnet alebo udalosť. Evokovaná aktivita sa často považuje za nezávislú od prebiehajúcej mozgovej aktivity, hoci o tom sa stále diskutuje.
Neurónová synchronizácia môže byť modulovaná obmedzeniami úlohy, ako je pozornosť, a predpokladá sa, že zohráva úlohu pri viazaní funkcií, komunikácii neurónov a motorickej koordinácii. Neuronálne oscilácie sa stali horúcou témou v neurovede v 90. rokoch 20. storočia, keď sa ukázalo, že štúdie zrakového systému mozgu, ktoré uskutočnili Gray, Singer a ďalší, podporujú hypotézu neurónovej väzby. Podľa tejto myšlienky synchrónne oscilácie v neurónových súboroch viažu neuróny reprezentujúce rôzne vlastnosti objektu. Napríklad, keď sa človek pozerá na strom, neuróny zrakovej kôry reprezentujúce kmeň stromu a neuróny reprezentujúce vetvy toho istého stromu by synchrónne oscilovali a vytvorili by jedinú reprezentáciu stromu. Tento jav je najlepšie viditeľný v lokálnych poľných potenciáloch, ktoré odrážajú synchrónnu aktivitu lokálnych skupín neurónov, ale bol preukázaný aj v záznamoch EEG a MEG, ktoré poskytujú čoraz viac dôkazov o úzkom vzťahu medzi synchrónnou oscilačnou aktivitou a rôznymi kognitívnymi funkciami, ako je napríklad percepčné zoskupovanie.
Bunky sinoatriálneho uzla, ktorý sa nachádza v pravej predsieni srdca, sa spontánne depolarizujú približne 100-krát za minútu. Hoci všetky bunky srdca majú schopnosť generovať akčné potenciály, ktoré spúšťajú kontrakciu srdca, sinoatriálny uzol ju zvyčajne iniciuje, jednoducho preto, že generuje impulzy o niečo rýchlejšie ako ostatné oblasti. Preto tieto bunky generujú normálny sínusový rytmus a nazývajú sa pacemakerové bunky, pretože priamo riadia srdcovú frekvenciu. Pri absencii vonkajšej nervovej a hormonálnej kontroly sa bunky v SA uzle rytmicky vybíjajú. Sinoatriálny uzol je bohato inervovaný autonómnym nervovým systémom, ktorý nahor alebo nadol reguluje frekvenciu spontánneho vypálenia pacemakerových buniek.
Synchronizované odpaľovanie neurónov je tiež základom periodických motorických príkazov pre rytmické pohyby. Tieto rytmické výstupy vytvára skupina vzájomne sa ovplyvňujúcich neurónov, ktoré tvoria sieť nazývanú centrálny generátor vzorov. Centrálne generátory vzorov sú neurónové obvody, ktoré – keď sú aktivované – môžu vytvárať rytmické motorické vzory v neprítomnosti senzorických alebo zostupných vstupov, ktoré nesú špecifické časové informácie. Príkladom je chôdza, dýchanie a plávanie, Väčšina dôkazov o centrálnych generátoroch vzorov pochádza z nižších živočíchov, ako je napríklad mihuľa, ale existujú aj dôkazy o centrálnych generátoroch vzorov v chrbtici u ľudí.
Neuronálne špičky sa všeobecne považujú za základ prenosu informácií v mozgu. Na takýto prenos je potrebné, aby bola informácia zakódovaná vo vzorci špicatenia. Boli navrhnuté rôzne typy kódovacích schém, napríklad kódovanie rýchlosti a časové kódovanie.
Synchronizácia vypaľovania neurónov môže slúžiť ako prostriedok na zoskupenie priestorovo oddelených neurónov, ktoré reagujú na rovnaký podnet, s cieľom prepojiť tieto odpovede na ďalšie spoločné spracovanie, t. j. využiť časovú synchronizáciu na kódovanie vzťahov. Najskôr boli navrhnuté čisto teoretické formulácie hypotézy o viazaní prostredníctvom synchrónie, ale následne boli predložené rozsiahle experimentálne dôkazy podporujúce potenciálnu úlohu synchrónie ako relačného kódu.
Funkčná úloha synchronizovanej oscilačnej aktivity v mozgu bola zistená najmä v experimentoch vykonaných na bdelých mačiatkach s viacerými elektródami implantovanými do zrakovej kôry. Tieto experimenty ukázali, že skupiny priestorovo segregovaných neurónov sa pri aktivácii zrakovými podnetmi zapájajú do synchrónnej oscilačnej aktivity. Frekvencia týchto oscilácií bola v rozsahu 40 Hz a líšila sa od periodickej aktivácie vyvolanej mriežkou, čo naznačuje, že oscilácie a ich synchronizácia boli spôsobené vnútornými interakciami neurónov. Podobné zistenia paralelne preukázala aj Eckhornova skupina, čím poskytla ďalšie dôkazy o funkčnej úlohe neurónovej synchronizácie pri viazaní funkcií. Odvtedy sa v mnohých štúdiách tieto zistenia zopakovali a rozšírili na rôzne modality, napríklad EEG, čím sa poskytli rozsiahle dôkazy o funkčnej úlohe gama oscilácií pri zrakovom vnímaní.
Gilles Laurent a jeho kolegovia ukázali, že oscilačná synchronizácia má dôležitú funkčnú úlohu pri vnímaní pachov. Vnímanie rôznych pachov vedie k tomu, že rôzne podskupiny neurónov spúšťajú rôzne sady oscilačných cyklov. Tieto oscilácie možno narušiť blokátorom GABA pikrotoxínom. Narušenie oscilačnej synchronizácie vedie k zhoršeniu behaviorálnej diskriminácie chemicky podobných pachov u včiel a k podobnejším reakciám na rôzne pachy v nadväzujúcich neurónoch β-lobe.
Predpokladá sa, že nervové oscilácie sa podieľajú aj na vnímaní času a somatosenzorickom vnímaní. Nedávne zistenia však hovoria proti hodinovej funkcii kortikálnych gama oscilácií.
Oscilácie boli bežne zaznamenané v motorickom systéme. Pfurtscheller a jeho kolegovia zistili zníženie alfa (8 – 12 Hz) a beta (13 – 30 Hz) oscilácií v aktivite EEG, keď subjekty vykonávali pohyb. Pomocou intrakortikálnych záznamov zistili podobné zmeny v oscilačnej aktivite v motorickej kôre, keď opice vykonávali motorické úkony, ktoré si vyžadovali značnú pozornosť. Okrem toho sa oscilácie na spinálnej úrovni synchronizujú s beta osciláciami v motorickej kôre počas konštantnej svalovej aktivácie, čo sa určilo pomocou MEG/EEG-EMG koherencie. Nedávno sa zistilo, že kortikálne oscilácie sa šíria ako putujúce vlny po povrchu motorickej kôry pozdĺž dominantných priestorových osí charakteristických pre lokálne obvody motorickej kôry.
Oscilačné rytmy s frekvenciou 10 Hz boli zaznamenané v oblasti mozgu nazývanej dolná oliva, ktorá je spojená s mozočkom. Tieto oscilácie sa pozorujú aj pri motorickom výstupe fyziologického tremoru a pri vykonávaní pomalých pohybov prstov. Tieto zistenia môžu naznačovať, že ľudský mozog riadi súvislé pohyby prerušovane. Na podporu toho sa ukázalo, že tieto prerušované pohyby priamo súvisia s oscilačnou aktivitou v mozočko-talamo-kortikálnej slučke, ktorá môže predstavovať nervový mechanizmus prerušovanej motorickej kontroly.
Nervové oscilácie sú vo veľkej miere spojené s pamäťovými funkciami, najmä s aktivitou theta. Rytmy theta sú veľmi silné v hipokampoch a entorhinálnej kôre hlodavcov počas učenia a vybavovania pamäte a predpokladá sa, že sú nevyhnutné pre indukciu dlhodobej potenciácie, potenciálneho bunkového mechanizmu učenia a pamäte. Predpokladá sa, že spojenie medzi theta a gama aktivitou je nevyhnutné pre pamäťové funkcie. Tesná koordinácia časovania hrotov jednotlivých neurónov s lokálnymi osciláciami theta súvisí s úspešným vytváraním pamäte u ľudí, keďže viac stereotypných hrotov predpovedá lepšiu pamäť.
Spánok je prirodzene sa opakujúci stav charakterizovaný zníženým alebo neprítomným vedomím a prebieha v cykloch rýchlych pohybov očí (REM) a spánku bez rýchlych pohybov očí (NREM). Normálne poradie fáz spánku je N1 → N2 → N3 → N2 → REM. Štádiá spánku sú charakterizované spektrálnym obsahom EEG, napríklad štádium N1 sa vzťahuje na prechod mozgu z vĺn alfa (bežných v bdelom stave) na vlny theta, zatiaľ čo štádium N3 (hlboký alebo pomalý spánok) je charakterizované prítomnosťou vĺn delta.
Rukopis osoby postihnutej Parkinsonovou chorobou, ktorý ukazuje rytmickú aktivitu tremoru v úderoch
Generalizované 3 Hz hrotové a vlnové výboje odrážajúce záchvatovú aktivitu
Špecifické typy nervových oscilácií sa môžu objaviť aj v patologických situáciách, ako je Parkinsonova choroba alebo epilepsia. Je zaujímavé, že tieto patologické oscilácie často pozostávajú z aberantnej verzie normálnych oscilácií. Napríklad jedným z najznámejších typov sú oscilácie hrotov a vĺn, ktoré sú typické pre generalizované alebo absenčné epileptické záchvaty a ktoré sa podobajú normálnym osciláciám vretena počas spánku.
Tŕpnutie je mimovoľné, do istej miery rytmické sťahovanie a uvoľňovanie svalov, ktoré zahŕňa pohyby jednej alebo viacerých častí tela. Je to najbežnejší zo všetkých mimovoľných pohybov a môže postihovať ruky, paže, oči, tvár, hlavu, hlasivky, trup a nohy. Väčšina trasov sa vyskytuje na rukách. U niektorých ľudí je tras príznakom inej neurologickej poruchy. Bolo identifikovaných mnoho rôznych foriem tremoru, napríklad esenciálny tremor alebo parkinsonský tremor. Tvrdí sa, že tras je pravdepodobne multifaktoriálneho pôvodu, pričom k nemu prispievajú nervové oscilácie v centrálnych nervových systémoch, ale aj periférne mechanizmy, ako sú rezonancie reflexných slučiek.
Epilepsia je bežná chronická neurologická porucha charakterizovaná záchvatmi. Tieto záchvaty sú prechodné príznaky a/alebo symptómy abnormálnej, nadmernej alebo hypersynchrónnej aktivity neurónov v mozgu.
Uvažovalo sa o využití nervových oscilácií ako riadiaceho signálu pre rôzne rozhrania mozog-počítač. Neinvazívne rozhranie BCI sa vytvára umiestnením elektród na pokožku hlavy a následným meraním slabých elektrických signálov. Neinvazívne BCI vytvára slabé rozlíšenie signálu, pretože lebka tlmí a rozmazáva elektromagnetické signály. V dôsledku toho nie je možné obnoviť aktivitu jednotlivých neurónov, ale oscilačná aktivita sa stále dá spoľahlivo zistiť. Niektoré formy BCI umožňujú používateľom ovládať zariadenie najmä meraním amplitúdy oscilačnej aktivity v špecifických frekvenčných pásmach vrátane mu a beta rytmov.
Neúplný zoznam typov oscilačných aktivít, ktoré sa nachádzajú v centrálnom nervovom systéme: