Универсальное свойство нейроволн

Человеческий мозг состоит из миллиардов нейронов, каждый из которых имеет свой собственный электрический режим работы. Группы нейронов генерируют электрические колебания, волны мозга с различной частотой. Известно, что высокочастотные ритмы связаны с кодированием и извлечением сенсорной информации, а низкочастотные ритмы действуют как механизм контроля, который определяет, какую информацию следует считывать из рабочей памяти.

Кора головного мозга также место мышления, планирования и высокоуровневой обработки эмоций и сенсорной информации. У всех млекопитающих нейроны, участвующие в этой деятельности, расположены в шесть слоев. Каждый слой имеет собственные типы клеток и связей с другими областями мозга. Исследователи мозга обычно игнорируют разделение на слои и регистрируют суммарную активность нейронов. Да и запись возбуждения разных слоев коры затруднена, поскольку толщина каждого слоя менее миллиметра.

Команда нейрофизиологов под руководством профессора кафедры психологии Университета Вандербильта Андре Бастоса (André M. Bastos) проанализировала 14 различных областей коры головного мозга у четырех видов млекопитающих. Опыты также включали записи электрической активности мозга трех больных, которым для предстоящей хирургической операции в мозг ввели электроды.

В опытах ученые регистрировали данные всех слоев, которые затем обрабатывали с помощью алгоритмов, выделяющих сигналы каждого слоя. Для разных частей коры исследователи обнаружили универсальное явление: в самых верхних слоях нейронов преобладают быстрые гамма-волны, в нижних — более медленные колебания альфа- и бета-волн.

Результаты подтверждают представления о том, что анатомическая организация мозга помогает ему включать новую информацию, переносимую высокочастотными колебаниями, в уже существующие представления и память, поддерживаемые низкочастотными колебаниями. Включение происходит по мере того, как информация переходит от слоя к слою. По-видимому, поверхностные слои коры преимущественно представляют внешнюю сенсорную информацию, глубокие слои — внутренние когнитивные состояния, а кора имеет механизмы отделения внешней информации от внутренней.

Ученые отмечают, что гармоничный баланс между послойной передачей сигналов в коре сверху вниз и снизу вверх необходим для всего, что она делает. При его нарушениях возникает широкий набор психических расстройств. Дисбаланс между колебаниями разных частот может привести к дефициту внимания и гиперактивности, когда преобладают высокие частоты и поступает слишком много сенсорной информации. При бредовых расстройствах и шизофрении превалируют низкочастотные колебания и недостаточно сенсорной информации. Избыточно синхронная нейронная активность связана с эпилепсией.

Нейрофизиологи подозревают, что патологии синхронности способствуют многим другим расстройствам мозга, включая нарушения восприятия, внимания, памяти и моторного контроля. Сейчас исследователи изучают, может ли измерение колебаний помочь в диагностике нервных расстройств, а также как изменение баланса колебаний может трансформировать поведение больного при лечении. Статья об исследовании опубликована в журнале Nature Neuroscience.