Нейробиологи давно ломали голову над вопросом, каким образом мозг фильтрует шумы окружающего мира, выделяя наиболее важный звук. Новое исследование показало, что секрет заключается не только в силе возбуждения мозговых клеток, но и в точности момента их активации.
Именно точное синхронизированное время электрической активности, привязанное к естественным гамма-ритмам мозга, определяет, плавно ли передается информация от одного отдела мозга к другому или же искажается по пути.
Учёным стало более понятно, почему ослабевает фокусировка внимания при таких состояниях, как синдром дефицита вниманияи гиперактивности (СДВГ), шизофрения и болезнь Альцгеймера, сопровождающихся нарушением гамма-активности мозга.
Учёные Университета Бремена продемонстрировали (1), как уникальный механизм передачи сенсорных сигналов в мозге к центру обработки информации отвечает за способность человека сосредоточиться на одном виде деятельности, игнорируя окружающую обстановку.
«В сонме голосов, музыки и фонового шума мозг способен концентрироваться на единственном голосе», — говорит исследователь мозга доктор Эрик Дребиц (Dr. Eric Drebitz) из Университета Бремена. «Другие звуки не становятся тише, однако именно в этот момент воспринимаются заглушёнными».
«До сих пор мы не понимали, как именно контролируется жизненно важный механизм выбора релевантной информации», — отметил он.
«Когда при переходе улицы на вас сбоку внезапно надвигается машина, мозг немедленно сосредотачивается на обработке только одной визуальной информации — движении автомобиля. Другие впечатления — прохожие, другие машины или рекламные щиты — отходят на второй план, больше не отвлекая наше внимание и не замедляя реакцию. Только благодаря такому узкому приоритету мы можем быстро отреагировать и принять соответствующие меры».
Группа нейронов часто синхронизирует свою активность, образуя ритмические паттерны. Гамма-ритмы, колеблясь примерно от 30 до 90 раз в секунду, считались особенно важными для объединения действий разных частей мозга при восприятии, фокусировке и запоминании.
Предыдущие исследования показали: когда гамма-волновые колебания между различными областями мозга совпадают, улучшается коммуникация, но до настоящего времени оставалось непонятным, способствует ли эта синхрония "приоритетному отбору" важной информации или является лишь побочным эффектом других изменений.
Изучая эту функцию, учёные записывали мозговую активность макак-резусов, выполняющих зрительное задание на внимательность.
Информация последовательно поступает через ряд областей мозга, известных как зоны V1, V2, V3 и V4, каждая из которых занимается обработкой всё более сложных характеристик. Научная группа сосредоточилась на зоне V2, занимающейся базовыми характеристиками вроде контуров и текстуры, и зоне V4, которая обрабатывает более сложные детали форм и объектов.
Используя для подачи искусственных импульсов активности в зону V2 микро-стимуляцию, ученые в зоне V4 фиксировали моменты поступления этих импульсов относительно гамма-ритма. Они хотели выяснить, эффективнее ли сигнал, поступивший в ритме с гаммой, чем поступивший вне фазы.
Когда стимуляция приходила в фазу повышенной восприимчивости гамма-цикла в зоне V4, она влияла на активность нейронов и поведение животных; когда же импульс поступал слишком рано или поздно, эффект исчезал. Это говорит о том, что фаза гамма-ритма не просто связана с потоком информации, но и контролирует её.
«Искусственно вызванные сигналы воздействовали на активность нейронов в зоне V4 только тогда, когда они прибывали вовремя, — пояснил Дребиц. — Если тот же самый сигнал поступал слишком рано или слишком поздно, никакого эффекта не наблюдалось. При попадании внутрь этого окна чувствительности он менял не только активность нервных клеток, но и поведение животного: оно реагировало медленнее и допускало больше ошибок».
«Из этого можно сделать вывод, что наш тестовый сигнал, не содержащий никакой значимой информации для текущего задания, брался в обработку и таким образом мешал выполнению основной задачи».
Исследование было опубликовано в журнале Nature Communications (1).
«Обрабатывается ли сигнал дальше, тоже зависит от того, приходит ли он в правильный момент, а именно в короткий отрезок повышенной восприимчивости нейронов», добавил ученый.
«Нервные клетки работают циклически. Они наиболее активны и чувствительны всего несколько миллисекунд, после чего наступает период пониженной активности и чувствительности к возбуждению. Цикл повторяется примерно каждые 10—20 миллисекунд. Внешний сигнал влияет на поведение нейронов только тогда, когда поступает незадолго до пика активной фазы».
Таким образом вместо равномерного усиления всех поступающих сигналов мозг использует гамма-ритм как своего рода ритмичную заслонку. Сигналы, поступающие в такт с ритмом, усиливаются, а приходящие в неподходящее время, подавляются или вовсе игнорируются.
Эта система позволяет мозгу выделить речь среди шума или сконцентрироваться на конкретном объекте. Нарушение гамма-ритмов, наблюдаемое при расстройствах типа СДВГ, шизофрении и болезни Альцгеймера, ведёт к искажению координации сигналов, ухудшая фокусировку и память.
Анонсы статей смотрите в Telegram или ОК
В результате одного эксперимента 2016 года (2) на мышах с болезнью Альцгеймера было обнаружено, что воздействие световых вспышек частотой 40 Гц (гамма-диапазона) уменьшает амилоидные бляшки и активизирует иммунные клетки, помогающие очищению токсичных белков. Сейчас ученые продолжают разрабатывать методы стимулирования гамма-колебаний светом у пациентов с болезнью Альцгеймера.
Полезно знать: Главная привычка обладателей хорошей памяти
«Полученные нами результаты создают основу для построения более точной модели функционирования мозга, — считает Дребиц. — Они демонстрируют, как осуществляется выбор и приоритизация информации до того, как она будет воспринята, обработана и транслируется в поведение».
Автор: Bronwyn Thompson
Перевод: Виктор Трибунский
Источник
Ссылки
