Быстрые электрические волны играют ключевую роль в потоке информации в мозге

Фото из открытых источников

Нейроны координируют свои электрические сигналы в ритмичных паттернах, которые распространяются по коре головного мозга — самому внешнему слою мозга. Недавние исследования на людях и животных показали, что эти паттерны, называемые бегущими волнами, могут принимать сложные формы, в том числе вращающуюся спираль, которая наблюдалась во время глубокого сна, извлечения информации из памяти и других мозговых процессов. Новое исследование позволило зафиксировать быстро вращающиеся волны, охватывающие весь мозг, что дает подсказки о том, как они организованы и каковы их потенциальные функции.

Исследование, опубликованное в журнале Science, изучало мозг мышей с использованием множества методов регистрации и визуализации, чтобы выявить общемозговые паттерны, объединяющие разрозненные области от коры головного мозга до глубоких отделов. Исследование предполагает, что вращающиеся волны играют ключевую роль в координации потока информации по всему мозгу, поддерживая восприятие и поведение. Оно также предлагает объяснение спирального характера волн, показывая, что они движутся по круговой траектории, проложенной аксонами — длинными отростками нейронов.

«Это очень интересная работа», — говорит нейробиолог Эрл Миллер из Массачусетского технологического института, чья команда недавно сообщила, что вращающиеся волны в префронтальной коре, по-видимому, помогают обезьянам восстановить концентрацию внимания после отвлечения. В новой статье показано, что эти волны «высоко организованы по всей коре головного мозга мыши и, что удивительно, по всему полушарию. Когда вы видите такую организацию, это означает нечто фундаментальное для функционирования».

Было сложно наблюдать за общемозговыми паттернами вращающихся волн, поскольку большинство предыдущих исследований регистрировали их с помощью сеток электродов, расположенных на коре головного мозга и измеряющих сигналы от близлежащих нейронов. Нейробиологи Ник Штейнметц и Чживэнь Е из Вашингтонского университета получили более широкое и точное представление о времени и структуре волн, объединив два подхода: быструю широкопольную кальциевую визуализацию, которая позволяет регистрировать активность больших популяций нейронов в коре головного мозга, и зонды Neuropixels — сверхтонкие микроэлектроды, способные проникать в слои мозга и регистрировать активность в более глубоких областях, таких как таламус и стриатум.

В одной из серий экспериментов Штейнметц, Йе и их коллеги отслеживали вращающиеся волны, возникающие в ответ на щекотку вибрисс у мышей. Колебания начинались в ожидаемой части коры головного мозга, но мгновенно отражались в других частях коры и в глубоких структурах мозга, которые, как ранее считалось, не подвергались воздействию распространяющихся волн. Вращающаяся волна «на самом деле представляет собой паттерн, охватывающий весь мозг и одновременно пронизывающий все эти структуры», — говорит Штейнметц. Это означает, что корковые и глубокие области мозга «не являются дискретными процессорами», добавляет он. «Это общая система обработки информации».

Исследователи сравнили результаты визуализации с общедоступными наборами данных картирования мозга, чтобы показать, что спиралевидные волны следуют по круговым путям аксонов в мозге мыши. В последующих исследованиях, как говорит Йе, повреждение этой цепи «нарушило распространение волн в другие кортикальные области». «Это говорит нам о том, что спираль заложена в нейронных сетях мозга, и что эта анатомия формирует крупномасштабную динамику мозга».

Эти результаты подтверждают формирующееся мнение о том, что «активность мозга организована в крупном масштабе и не может быть полностью понята, если сосредоточиться только на отдельных областях», — говорит когнитивный нейробиолог Сунён Джун из Университета Иллинойса в Урбана-Шампейн, изучающий паттерны связности всего мозга и не принимавший участия в исследовании.

В другом эксперименте команда обучала мышей визуальной задаче — видеоигре, в которой они получали вознаграждение за правильное вращение колеса. Когда мыши успешно справлялись с задачей, из зрительной коры распространялись четко сформированные вращающиеся волны, а когда они терпели неудачу, волны либо не формировались, либо были плохо сформированы. Это позволяет предположить, что волны могут быть важной частью нейронной обработки, обеспечивающей принятие решений, управляемых зрением, — гипотезу, которую исследователи теперь надеются проверить.

Этот вывод согласуется с недавним исследованием Миллера, в котором форма спиральных волн коррелировала с результатами выполнения заданий обезьянами. А нейробиолог Джошуа Джейкобс из Чикагского университета недавно использовал записи с электродов людей с эпилепсией, чтобы показать, что сила и положение вращающихся волн коррелируют с их способностью запоминать список букв.

В новой статье, по словам Джейкобса, предлагается «множество интересных направлений для будущего развития», например, использование спиральных и других бегущих волн для интерфейсов «мозг-компьютер» путем преобразования их паттернов в цифровые команды.

Миллер говорит, что становится ясно: эта спиралевидная форма волны важна и, вероятно, повсеместно распространена в мозге. «Это эффективный способ организации системы без необходимости соединять все провода и каким-то образом координировать их».