В начале 20 века ученые начали регистрировать активность мозга с помощью электродов, прикрепленных к коже головы. К своему удивлению, они увидели, что активность мозга характеризуется медленными и быстрыми восходящими и нисходящими сигналами, которые впоследствии были названы «мозговыми волнами».
С тех пор мозговые волны интенсивно изучаются в контексте их участия в обработке и передаче информации между различными областями мозга. В здоровом мозге изменение интенсивности волн наблюдалось в контексте широкого спектра когнитивной деятельности, такой как память и обучение. Кроме того, многие исследования показали, что изменения интенсивности и частоты волн указывают на эпилепсию, аутизм или нейродегенеративные заболевания, такие как болезнь Паркинсона и болезнь Альцгеймера. Болезнь Альцгеймера, например, характеризуется резким снижением интенсивности волны на определенной частоте, в то время как эпилепсия характеризуется очень резким и ненормальным увеличением интенсивности волны на другой частоте.
В настоящее время известно, что мозговые волны выражают синхронизированную активность десятков тысяч нервных клеток (нейронов), поэтому нормальное увеличение интенсивности волны выражает синхронизированную активность различных групп нейронов с целью передачи информации. Но почему и как эти волны способствуют правильной передаче информации в мозг?
Этому ключевому вопросу посвящено новое исследование, проведенное докторантом Талом Далалом в лаборатории профессора Рафи Хаддада из Многопрофильного исследовательского центра Гонды (Гольдшмида) в Университете Бар-Илан в Израиле. В исследовании, опубликованном в Cell Reports, исследователи изменили уровень синхронизации в области мозга, которая передает информацию. Затем они исследовали, как это повлияло на передачу информации и как область мозга, которая получила информацию, поняла ее.
Исследование было сосредоточено на областях мозга , которые являются частью обонятельной системы или обоняния, которое характеризуется высокой интенсивностью мозговых волн. Особый тип нейронов в этой области отвечает за создание синхронизированной активности мозговых волн. Чтобы увеличить или уменьшить синхронизацию, исследователи использовали оптогенетику — метод, который позволяет включать и выключать нейронную активность , подобно выключателю, путем проецирования световых вспышек на мозг. Таким образом можно включать или выключать активность синхронизирующих нейронов, чтобы исследовать, как изменение синхронизированной активности многих нейронов в одной области влияет на передачу информации в следующую область, которая считывает информацию.
Первичная или «вышестоящая» область, управляемая путем увеличения или уменьшения синхронизации, — это место, где происходит первоначальная обработка в обонятельной системе. Оттуда синхронизированная или несинхронизированная информация, в зависимости от манипуляции, передается во вторичную или «нижестоящую» область обонятельной системы, отвечающую за обработку более высокого уровня.
Исследователи обнаружили, что увеличение синхронизации нейронов в восходящей области мозга, которая передает информацию, привело к значительному улучшению передачи и обработки информации в нижестоящей области. И наоборот, когда синхронизация была снижена, представление информации в нисходящей области ухудшалось.
Также произошло неожиданное открытие. «Мы были удивлены, обнаружив, что активация нейронов, индуцирующих синхронию, также вызвала снижение общего уровня активности в вышестоящей области, поэтому мы ожидали, что меньше информации будет передано в нижестоящую область. восходящая область синхронизируется, компенсирует общее снижение активности и даже улучшает передачу информации», — объясняет Далал.
Из этого исследователи сделали вывод о важности синхронизированной активности мозга для передачи и обработки информации. Когда тысячи нейронов синхронизированы, передача информации в мозг осуществляется более мощно и надежно, по сравнению с ситуацией, когда активность асинхронна и каждый нейрон работает независимо от группы. Далал говорит, что это можно сравнить с демонстрацией десятков тысяч человек на площади по сравнению с демонстрантами, разбросанными по разным местам. Сила совместной и синхронизированной деятельности огромна по сравнению с независимой, несинхронизированной деятельностью.
Это открытие может объяснить, почему снижение синхронизированной активности, выражающееся в уменьшении интенсивности мозговых волн, может привести к когнитивным нарушениям при нейродегенеративных заболеваниях, таких как болезнь Альцгеймера. «На сегодняшний день исследования показали корреляцию между снижением синхронности и нейродегенеративным заболеванием, но не показали, почему и как это происходит», — говорит Далал. «В нашем исследовании мы показали, как синхронизация способствует передаче и обработке информации в мозгу, и это может быть причиной того, что мы в конечном итоге наблюдаем когнитивные нарушения у пациентов».
Исследование Далала и профессора Хаддада предлагает новые возможности лечения нейродегенеративных заболеваний . Вполне возможно, что в будущем аномальную активность мозга можно будет скорректировать посредством специфической стимуляции определенных нейронов, такой как вспышки света, используемые для манипуляции в этом исследовании, чтобы восстановить синхронизацию до уровня, необходимого для нормальной активности мозга.
