Группа нейробиологов из Университета Пенсильвании построила первую карту электрической активности мозга, основанную на данных почти 300 пациентов со вживлёнными в мозговую ткань электродами. Оказалось, что для связи между фронтальной и височными долями – ключевыми областями мозга, которые участвуют в обработке памяти – в первую очередь характерны низкочастотные ритмы активности.
Изображение сверху слева представляет собой трёхмерную модель 30 000 электродов, используемых в исследовании. Справа сверху – компьютерное воссоздание полной нейрональной сети 294 человек, полученной с помощью данных об электрической активности при обработке памяти. Красным цветом обозначены синхронизированные участки, синим – асинхронизированные. Внизу – 3D-визуализация высокочастотных гамма- (справа) и низкочастотных (слева) тета-сетей. Credit: Image courtesy of University of Pennsylvania
Эта работа, опубликованная в журнале Nature Communications, стала частью проекта «Восстановление активной памяти» (RAM), который ведёт Агенство перспективных исследований в области обороны (DARPA) в США. Она разъясняет, как разные области мозга взаимодействуют во время когнитивных процессов, например, при формировании памяти. Хоть многие учёные до этого и пытались изучить эти функции с помощью неинвазивной фМР-визуализации, но всё же самые точные данные могут поступать только из глубин мозга нейрохирургических пациентов.
В течение нескольких лет команда Университета Пенсильвании собирала эту информацию из нескольких больниц по всей стране, что позволило исследователям впервые наблюдать за живыми мозговыми сетями напрямую. Дело в том, что пациентам, страдающим эпилепсией, для того, чтобы контролировать приступы, в мозг вживляются электроды. Когда они проходили свой стандартный клинический мониторинг, то при этом выполняли ещё и задачи на память, во время которых их просили просмотреть ряд слов на экране, а затем повторить все, что они могли запомнить.
В то же время исследователи изучали так называемую низко- и высокочастотную нейронную активность. Они обнаружили, что когда у человека новые воспоминания формируются исправно, то при вспоминании им одного из представленных слов электрическая стабилизация между несколькими областями мозга, как правило, происходит за счёт медленных волн активности, но ослабляется при их более высокой частоте. О каких областях, собственно, идет речь? О лобной доле и медиальной части височной доли.
Сетевые «узлы». Показатели идентифицировались в сетях тета- и высокочастотной гамма-памяти в мозге. Анализ проводился отдельно для всех положительных весов соединений (красный) и для всех отрицательных весов соединения (синий), что давало «синхронные узлы» и «асинхронные узлы», которые, соответственно, усиливали или ослабляли свою связь с сетью во время успешной кодировки памяти.
«Мы обнаружили, что низкочастотная связь областей мозга была связана с повышенной нейронной активностью на этом участке. Это говорит о том, что для того, чтобы появилось новое воспоминание, обе функции должны выполняться одновременно: области мозга индивидуально обрабатывают стимул, а затем сообщаются друг с другом на низких частотах».
Вообще основная цель проекта RAM – посмотреть на то, как для улучшения памяти можно использованию стимуляцию мозга. Учёные отмечают, что лучшее понимание сетей мозга, которые активируются во время обработки памяти, способствует более тонкой настройке электрической стимуляции, которая могла бы её улучшить ее.
Не так давно команда RAM опубликовала свой обширный интракраниальный (полученный во время внутричерепного вмешательства) набор данных для записи и стимуляции мозга, который включал тысячи часов информации от 250 пациентов, выполнявших задачи на запоминание. Теперь же они планируют более детально проанализировать изменение функциональных связей во время стимуляции.
«Прежде чем использовать эти карты «связности» для терапевтических целей, например, для лечения пациентов с нарушениями памяти при травме головного мозга или болезни Альцгеймера, нужно проделать ещё много работы. Но мы работаем над достижением этой цели», – отмечают исследователи.
Текст: Анна Хоружая
Widespread theta synchrony and high-frequency desynchronization underlies enhanced cognition by E. A. Solomon, J. E. Kragel, M. R. Sperling, A. Sharan, G. Worrell, M. Kucewicz, C. S. Inman, B. Lega, K. A. Davis, J. M. Stein, B. C. Jobst, K. A. Zaghloul, S. A. Sheth, D. S. Rizzuto, M. J. Kahana in Nature Communications. Published November 2017; 8 (1)
DOI: 10.1038/s41467-017-01763-2
Читайте материалы нашего сайта в Facebook, ВКонтакте и канале в Telegram, а также следите за новыми картинками дня в Instagram.