Нейробіологи розкривають приховані ритми розуму

Нейробіологи Массачусетського технологічного інституту пропонують нову структуру, яка описує, як думка виникає в результаті координації нейронної активності, керованої осцилюючими електричними полями — відомими як «хвилі» або «ритми» мозку.

Спостерігати за пікселями на своєму телефоні під мікроскопом може бути дуже інформативно, але не якщо ваша мета — зрозуміти, що показує ціле відео на екрані. Когнітивні функції — це майже така ж властивість, що виникає в мозку. Це можна зрозуміти, лише спостерігаючи, як мільйони клітин діють узгоджено, стверджує тріо нейробіологів MIT. У новій статті вони викладають основу для розуміння того, як думка виникає в результаті координації нейронної активності, керованої коливальними електричними полями — також відомими як «мозкові хвилі» або «ритми».

Значення мозкових ритмів

Історично відкидалися виключно як побічні продукти нервової діяльності, ритми мозку насправді є критично важливими для її організації, пишуть професор Picower Ерл Міллер і дослідники Скотт Брінкат і Джефферсон Рой у журналі Current Opinion in Behavioral Science .

Незважаючи на те, що нейробіологи отримали величезні знання, вивчаючи, як окремі клітини мозку з’єднуються та як і коли вони випромінюють «шипи», щоб надсилати імпульси через певні ланцюги, також існує потреба оцінити та застосувати нові концепції в масштабі мозкового ритму, який може охоплювати індивідуальні або навіть кількох ділянок мозку.

Розширення сфери нейронауки

«Спійкінг і анатомія важливі, але в мозку відбувається більше, ніж це», — каже старший автор Міллер, викладач Інституту навчання та пам’яті Пікавера та Департаменту мозку та когнітивних наук Массачусетського технологічного інституту. «На вищому рівні відбувається багато функцій, особливо пізнання».

Вивчення мозку в такому масштабі, пишуть автори, може включати не тільки розуміння здорової функції вищого рівня, але й те, як ці функції порушуються під час хвороби.

«Багато неврологічних і психіатричних розладів, таких як шизофренія, епілепсія та хвороба Паркінсона, пов’язані з порушенням первинних властивостей, таких як нейронна синхронність», — пишуть вони. «Ми очікуємо, що розуміння того, як інтерпретувати та взаємодіяти з цими новими властивостями, буде критичним для розробки ефективних методів лікування, а також для розуміння пізнання».

Поява думок

Міст між масштабом окремих нейронів і ширшою координацією багатьох клітин заснований на електричних полях, пишуть дослідники. Завдяки феномену, який називається «ефаптичний зв’язок», електричне поле, створене активністю нейрона, може впливати на напругу сусідніх нейронів, створюючи вирівнювання між ними. Таким чином, електричні поля як відображають нейронну активність, так і впливають на неї. У статті 2022 року Міллер і його колеги показали за допомогою експериментів і обчислювального моделювання, що інформацію, закодовану в електричних полях, створюваних ансамблями нейронів, можна зчитувати більш надійно, ніж інформацію, закодовану спайками окремих клітин. У 2023 році лабораторія Міллера надала докази того, що ритмічні електричні поля можуть координувати спогади між регіонами.

Роль бета- і гамма-ритмів

У цьому великому масштабі, коли ритмічні електричні поля передають інформацію між областями мозку, лабораторія Міллера опублікувала численні дослідження, які показують, що низькочастотні ритми в так званому «бета» діапазоні виникають у глибших шарах кори головного мозку та, здається, регулюють потужність гамма-ритмів швидшої частоти в більш поверхневих шарах.

Реєструючи нервову активність у мозку тварин, які беруть участь в іграх з робочою пам’яттю, лабораторія показала, що бета-ритми несуть сигнали «зверху вниз», щоб контролювати, коли і де гамма-ритми можуть кодувати сенсорну інформацію, таку як зображення, які потрібні тваринам запам’ятати в грі.

Просторові обчислення та когнітивний контроль

Деякі з останніх даних лабораторії свідчать про те, що бета-ритми застосовують цей контроль когнітивних процесів до фізичних ділянок кори головного мозку, по суті діючи як трафарети, які вказують, де і коли гамма може кодувати сенсорну інформацію в пам’ять або отримувати її. Відповідно до цієї теорії, яку Міллер називає «Просторовими обчисленнями», бета-версія може таким чином установити загальні правила завдання (наприклад, повороти вперед і назад, необхідні для відкриття кодового замка), навіть якщо вміст конкретної інформації може змінитися (наприклад, нові числа при зміні комбінації).

Загалом ця структура також дозволяє нейронам гнучко кодувати більше ніж один тип інформації одночасно, пишуть автори, широко поширена нейронна властивість, яка називається «змішаною вибірковістю». Наприклад, нейрону, що кодує номер комбінації замка, також можна призначити певний крок процесу розблокування, для якого це число має значення, залежно від того, у якому бета-шаблоні патча він знаходиться.

Підпросторове кодування: нове розуміння

У новому дослідженні Міллер, Брінкат і Рой припускають ще одну перевагу, яка відповідає когнітивному контролю, заснованому на взаємодії великомасштабної скоординованої ритмічної діяльності: «кодування підпростору».

Ця ідея припускає, що ритми мозку організовують величезну кількість можливих результатів, які можуть виникнути в результаті, скажімо, 1000 нейронів, залучених до незалежної імпульсної активності. Замість багатьох комбінаторних можливостей насправді виникає набагато менше «підпросторів» активності, оскільки нейрони скоординовані, а не незалежні. Це так, ніби імпульси нейронів схожі на зграю птахів, які координують свої рухи.

Різні фази та частоти мозкових ритмів забезпечують цю координацію, вирівняні для посилення одна одної або зміщені для запобігання перешкод. Наприклад, якщо частину сенсорної інформації потрібно запам’ятати, нейронну активність, яка її представляє, можна захистити від перешкод під час сприйняття нової сенсорної інформації.

«Таким чином, організація нейронних реакцій у підпростори може як відокремлювати, так і інтегрувати інформацію», – пишуть автори.

Вплив ритмів мозку на пізнання

Автори пишуть, що здатність мозкових ритмів координувати й організовувати обробку інформації в мозку — це те, що дозволяє розвивати функціональне пізнання в такому масштабі. Отже, розуміння пізнання в мозку вимагає вивчення ритмів.

«Дослідження окремих нейронних компонентів окремо — окремих нейронів і синапсів — зробило величезний внесок у наше розуміння мозку і залишається важливим», — підсумовують автори. «Однак стає все більш очевидним, що для повного охоплення складності мозку ці компоненти потрібно аналізувати узгоджено, щоб ідентифікувати, вивчати та пов’язувати їхні нові властивості».