Фундаментальная загадка человеческой коры заключается в том, как ее 16 миллиардов нейронов интегрируют или связывают множество различных видов информации, которую они кодируют, в единый связный объединенный опыт или память.

Ученые выдвинули гипотезу, что такое связывание связано с высокочастотными колебаниями или « рябью », которые способствуют нейронным взаимодействиям, подобно ритму в музыке или танце. В статье, опубликованной 7 июля 2022 года в PNAS , исследователи из Медицинской школы Калифорнийского университета в Сан-Диего представили некоторые из первых эмпирических доказательств того, что такие пульсации действительно возникают у людей.

«Подумайте об опыте ласки вашей кошки: ее форме, местонахождении, окружении, цвете, ощущении, движении и звуке, а также о ваших собственных ответных эмоциях и действиях. Все они связаны в единое целое», — сказал старший автор Эрик Халгрен. Доктор философии, профессор радиологии Медицинской школы Калифорнийского университета в Сан-Диего.

«Эти различные аспекты опыта закодированы в местах, распределенных по поверхности коры головного мозга, и опыт подчинен их пространственно-временному паттерну возбуждения. Загадка заключается в том, как связаны действия в этих разных местах».

Предыдущие исследования, в основном на грызунах, показали, что пульсации в другой структуре, гиппокампе , организуют воспроизведение этих пространственно-временных паттернов во время сна, и это необходимо для того, чтобы воспоминания оставались постоянными.

Команда Калифорнийского университета в Сан-Диего под руководством Халгрена обнаружила, что рябь также возникает во всех областях коры головного мозга человека как во время бодрствования, так и во сне. Рябь была короткой, длилась примерно одну десятую секунды и имела постоянную узкую частоту, близкую к 90 циклам в секунду. Авторы подсчитали, что типичное кратковременное событие пульсации может включать примерно 5000 небольших модулей, которые становятся активными одновременно, распределенными по поверхности коры.

Эта работа является частью докторской диссертации по неврологии первого автора Чарльза У. Дики.

«Примечательно, что пульсации возникали одновременно и синхронизировались во всех долях и между обоими полушариями, даже на больших расстояниях», — сказал Дики. «Кортикальные нейроны активизировались во время ряби, в ритме ряби, потенциально поддерживая взаимодействие между отдаленными местами.

«Было больше совпадений, предшествующих успешному воспроизведению памяти. Все это предполагает, что распределенные корковые импульсы способствуют интеграции различных элементов, которые могут составлять конкретную эмпирическую память».

Исследователи обнаружили, что пульсация коры головного мозга часто сочетается с пульсацией гиппокампа и связана с более медленными колебаниями (1 и 12 циклов в секунду). Эти более медленные ритмы управляются центральной структурой, контролирующей уровни корковой активности, таламусом, и модулируют активацию нейронов, что необходимо для консолидации памяти.

«Поскольку наш опыт организован иерархически во времени, то и ритмы, которые организуют нашу корковую деятельность, создают этот опыт», — сказал Халгрен.

Исследование включало анализ недельных записей, сделанных непосредственно изнутри мозга 18 пациентов, за которыми наблюдали, чтобы определить источник их эпилептических припадков. Текущая работа в лаборатории Халгрена демонстрирует, что паттерны возбуждения нейронов в разных частях коры более взаимно предсказуемы во время совместного движения, а совместное движение связано с связыванием букв в слова и значений с действиями.

«Как и любое другое фундаментальное исследование, которое расширяет наше понимание того, как устроен мир, невозможно знать, каковы будут его практические последствия», — сказал Халгрен. «Но я хотел бы отметить, что шизофрения, распространенное и неизлечимое заболевание, характеризуется психической фрагментацией. Наши и другие данные показывают, что определенный тип тормозных интернейронов имеет решающее значение для генерации ряби, и известно, что эти клетки избирательно подвержены шизофрении, как и высокочастотные колебания. Возможно, мы немного приблизились к поиску механизма для одного аспекта этой трагической болезни».