Badanie ujawnia globalny wzór częstotliwości fal mózgowych Wiadomości MIT

W korze mózgowej neurony są ułożone w sześciu odrębnych warstwach, które można łatwo zobaczyć pod mikroskopem. Zespół neuronaukowców z MIT i Vanderbilt University odkrył obecnie, że warstwy te wykazują również odrębne wzorce aktywności elektrycznej, które są spójne w wielu obszarach mózgu i u wielu gatunków zwierząt, w tym ludzi.

Naukowcy odkryli, że w górnych warstwach aktywność neuronów dominują szybkie oscylacje zwane falami gamma. W głębszych warstwach przeważają wolniejsze oscylacje zwane falami alfa i beta. Uniwersalność tych wzorców sugeruje, że oscylacje te prawdopodobnie odgrywają ważną rolę w całym mózgu – twierdzą naukowcy.

„Kiedy widzisz coś, co jest spójne i wszechobecne w korze mózgowej, odgrywa to bardzo zasadniczą rolę w tym, co robi kora” – mówi Earl Miller, profesor neurologii w Picower, członek Picower Institute for Learning and Memory w MIT i specjalista ds. badaczy. Starsi autorzy nowego badania.

Naukowcy twierdzą, że brak równowagi we wzajemnym oddziaływaniu tych oscylacji może odgrywać rolę w zaburzeniach mózgu, takich jak zespół nadpobudliwości psychoruchowej z deficytem uwagi.

„Wiadomo, że nadmiernie zsynchronizowana aktywność neuronowa odgrywa rolę w leczeniu padaczki, a obecnie podejrzewamy, że różne patologie synchronizacji mogą przyczyniać się do kilku zaburzeń mózgu, w tym zaburzeń percepcji, uwagi, pamięci i kontroli motorycznej” – mówi Robert DeSimone, dyrektor ds. McGovern Institute for Brain Research: „W orkiestrze jeden instrument, na którym gra się niezsynchronizowany z resztą instrumentów, może zakłócić spójność całego utworu” – powiedział Massachusetts Tech i jeden z głównych autorów badania.

Andre Bastos, adiunkt psychologii na Uniwersytecie Vanderbilt, jest także głównym autorem artykułu w otwartym dostępie, który Ukazuje się dzisiaj Naturalna neuronauka. Głównymi autorami tego artykułu są naukowiec z MIT Diego Mendoza Halliday i doktorant z MIT Alex Major.

Warstwy aktywności

Ludzki mózg zawiera miliardy neuronów, każdy z własnym wzorcem odpalania elektrycznego. Razem grupy neuronów o podobnych wzorach generują oscylacje aktywności elektrycznej, czyli fale mózgowe, które mogą mieć różne częstotliwości. Laboratorium Millera wykazało wcześniej, że rytmy gamma o wysokiej częstotliwości są powiązane z kodowaniem i odzyskiwaniem informacji sensorycznych, podczas gdy rytmy beta o niskiej częstotliwości służą jako mechanizm kontrolny określający, jakie informacje zostaną odczytane z pamięci roboczej.

Jego laboratorium odkryło również, że w niektórych częściach kory przedczołowej różne warstwy mózgu wykazują odrębne wzorce oscylacji: szybsze oscylacje na powierzchni i wolniejsze oscylacje w głębszych warstwach. Jedno z badań, które Bastos prowadził w czasie, gdy był doktorantem w laboratorium Millera, wykazało, że gdy zwierzęta wykonują zadania związane z pamięcią roboczą, rytmy o niskiej częstotliwości generowane w głębokich warstwach regulują w dół rytmy gamma o wysokiej częstotliwości generowane w warstwach powierzchniowych.

Oprócz pamięci roboczej kora mózgowa jest także miejscem myślenia, planowania i wysokopoziomowego przetwarzania emocji i informacji zmysłowych. W obszarach zaangażowanych w te funkcje neurony są ułożone w sześć warstw, a każda warstwa ma własną, odrębną mieszankę typów komórek i połączeń z innymi obszarami mózgu.

„Kora jest anatomicznie zorganizowana w sześć warstw, niezależnie od tego, czy patrzymy na myszy, ludzi, czy jakikolwiek gatunek ssaków, a ten wzór jest obecny we wszystkich obszarach kory każdego gatunku” – mówi Mendoza-Halliday. „Niestety wiele badań aktywności mózgu ignoruje te warstwy, ponieważ rejestrując aktywność neuronów, trudno jest zrozumieć, gdzie się one znajdują w kontekście tych warstw”.

W nowym artykule naukowcy chcieli sprawdzić, czy wzór warstwowych oscylacji, jaki zaobserwowali w korze przedczołowej, był bardziej rozpowszechniony i występował w różnych częściach kory i u różnych gatunków.

Korzystając z kombinacji danych uzyskanych w laboratorium Millera, laboratorium Desimone i laboratoriach współpracowników w Vanderbilt, Holenderskim Instytucie Neuroscience i Uniwersytecie Zachodniego Ontario, badacze byli w stanie przeanalizować 14 różnych obszarów kory mózgowej, od cztery gatunki ssaków. . Dane te obejmowały nagrania aktywności elektrycznej trzech pacjentów, którym w ramach operacji wszczepiono elektrody do mózgów.

Rejestracja z poszczególnych warstw korowych była w przeszłości trudna, ponieważ każda warstwa miała grubość mniejszą niż milimetr, więc trudno było stwierdzić, z której warstwy rejestruje się elektroda. W tym badaniu aktywność elektryczną rejestrowano za pomocą specjalnych elektrod, które rejestrowały dane ze wszystkich warstw jednocześnie, a następnie wprowadzano dane do nowego algorytmu obliczeniowego opracowanego przez autorów, zwanego FLIP (procedura identyfikacji warstw oparta na częstotliwości). Algorytm ten może określić, z której warstwy pochodzi każdy sygnał.

„Nowoczesna technologia umożliwia jednoczesną rejestrację wszystkich warstw kory mózgowej. Daje to szerszą perspektywę na mikroukłady i pozwala nam obserwować ten warstwowy wzór” – mówi Major. „Ta praca jest ekscytująca, ponieważ zawiera informacje o podstawowym układzie mikroukładów i zapewnia nową, potężną technikę badania mózgu. Nie ma znaczenia, czy mózg wykonuje zadanie, czy odpoczywa, można to zaobserwować w ciągu zaledwie pięciu do 10 sekund.

U wszystkich gatunków i w każdym badanym regionie badacze odkryli ten sam wzorzec aktywności klasowej.

„Przeprowadziliśmy wszechstronną analizę wszystkich danych, aby sprawdzić, czy możemy znaleźć ten sam wzór we wszystkich obszarach kory mózgowej i okazało się, że był on wszędzie” – mówi Mendoza-Halliday. „To była prawdziwa wskazówka, że ​​to, co zaobserwowano wcześniej w dwóch obszarach, był to podstawowy mechanizm.” Przez korę mózgową.

Utrzymać równowagę

Wyniki potwierdzają model zaproponowany wcześniej przez laboratorium Millera, który sugeruje, że przestrzenna organizacja mózgu pomaga mu integrować nowe informacje przenoszone przez oscylacje o wysokiej częstotliwości z istniejącymi wspomnieniami i procesami mózgowymi, które są podtrzymywane przez oscylacje o niskiej częstotliwości. . Gdy informacje przemieszczają się z jednej warstwy do drugiej, dane wejściowe można w razie potrzeby łączyć, aby pomóc mózgowi w wykonywaniu określonych zadań, takich jak przygotowanie nowego przepisu na ciasteczka lub zapamiętanie numeru telefonu.

„Jak zaobserwowaliśmy, konsekwencją laminarnego rozdzielenia tych częstotliwości może być umożliwienie warstwom powierzchniowym reprezentowania zewnętrznych informacji zmysłowych przy wyższych częstotliwościach, a warstwom głębokim reprezentowanie wewnętrznych stanów poznawczych przy niższych częstotliwościach” – mówi Bastos. „Wysoki poziom implikacji jest taki, że kora posiada wiele mechanizmów obejmujących zarówno anatomię, jak i oscylacje, które oddzielają informacje „zewnętrzne” od informacji „wewnętrznych”.

Zgodnie z tą teorią brak równowagi między oscylacjami wysokich i niskich częstotliwości może prowadzić do deficytów uwagi, takich jak ADHD, gdy dominują wyższe częstotliwości i dociera do nich zbyt wiele informacji zmysłowych, lub zaburzeń urojeniowych, takich jak schizofrenia, gdy oscylacje o niskiej częstotliwości są zbyt intensywne . . Wprowadzanie silnych i niewystarczających informacji sensorycznych.

„Odpowiednia równowaga między odgórnymi sygnałami kontrolnymi a oddolnymi sygnałami sensorycznymi jest ważna we wszystkim, co robi kora” – mówi Miller. „Kiedy równowaga zostaje zachwiana, rozwija się wiele zaburzeń neurologicznych i psychiatrycznych”.

Naukowcy badają obecnie, czy pomiar tych oscylacji może pomóc w diagnozowaniu tego typu zaburzeń. Naukowcy twierdzą, że badają również, czy oscylacje przywracające równowagę mogą zmienić zachowanie. Jest to podejście, które pewnego dnia będzie można zastosować w leczeniu deficytu uwagi lub innych zaburzeń neurologicznych.

Naukowcy mają także nadzieję na współpracę z innymi laboratoriami w celu bardziej szczegółowego scharakteryzowania wzorców oscylacji warstwowych w różnych obszarach mózgu.

„Mamy nadzieję, że przy wystarczającej liczbie tych standardowych raportów zaczniemy dostrzegać wspólne wzorce aktywności w różnych domenach lub funkcjach, które mogą ujawnić wspólny mechanizm obliczeniowy, który można wykorzystać do oceny wydajności motorycznej, wzroku, pamięci, uwagi, i tak dalej” – mówi Mendoza-Halliday.

Badania zostały sfinansowane przez Amerykańskie Biuro Badań Marynarki Wojennej, Amerykańskie Narodowe Instytuty Zdrowia, Amerykański Narodowy Instytut Oka, Amerykański Narodowy Instytut Zdrowia Psychicznego, Picower Institute, Simons Center Postdoctoral Fellowship in the Social Brain oraz kanadyjski Fundacja. Stypendium podoktorskie Instytutu Zdrowia.