Человеческий мозг постоянно обрабатывает информацию, которая поступает с разной скоростью — от мгновенных реакций на внезапные изменения окружающей среды до более медленных, рефлексивных процессов, таких как понимание контекста или смысла.

Новое исследование , проведенное в Медицинском центре Ратгерса и опубликованное в журнале Nature Communications, проливает свет на то, как мозг интегрирует эти быстрые и медленные сигналы в своей сложной сети связей белого вещества для обеспечения когнитивных функций и поведения.

Различные области мозга специализируются на обработке информации в течение определенных временных интервалов, это свойство известно как внутренние нейронные временные масштабы, или сокращенно INT.

Как мозг интегрирует информацию

«Чтобы влиять на окружающую среду посредством действий, наш мозг должен объединять информацию, обрабатываемую в разных временных масштабах», — сказал Линден Паркс, доцент кафедры психиатрии в Медицинской школе имени Роберта Вуд Джонсона при Университете Рутгерса и старший автор исследования. «Мозг достигает этого, используя связи белого вещества для обмена информацией между регионами, и эта интеграция имеет решающее значение для поведения человека».

Чтобы исследовать, как работает эта интеграция, Паркс и его команда проанализировали мультимодальные данные нейровизуализации 960 человек. Они создали подробные карты связности головного мозга каждого человека, известные как коннектомы, и применили математические модели, описывающие, как сложные системы изменяются со временем, чтобы понять, как информация передается по этим сетям.

«Наша работа исследует механизмы, лежащие в основе этого процесса у людей, путем прямого моделирования интерференционных токов (INT) в различных областях мозга на основе их связности», — сказал Паркс, ключевой сотрудник Института здоровья мозга Ратгерского университета и Центра передовых исследований в области визуализации человеческого мозга. «Это устанавливает прямую связь между тем, как области мозга обрабатывают информацию локально, и тем, как эта обработка распределяется по всему мозгу для формирования поведения».

Основные выводы и направления дальнейших исследований

Исследователи из Ратгерского университета обнаружили, что распределение нейронных временных масштабов по коре головного мозга играет решающую роль в том, насколько эффективно мозг переключается между крупномасштабными паттернами активности, связанными с поведением. Важно отметить, что эта организация различается у разных людей.

«Мы обнаружили, что различия в том, как мозг обрабатывает информацию с разной скоростью, помогают объяснить, почему у людей разные когнитивные способности», — сказал Паркс.

Исследователи также обнаружили, что эти закономерности связаны с генетическими, молекулярными и клеточными особенностями областей мозга, что подтверждает фундаментальные нейробиологические данные. Аналогичные взаимосвязи наблюдались и в мозге мышей, что позволяет предположить, что эти механизмы сохраняются у разных видов.

«Наша работа подчеркивает фундаментальную связь между связностью белого вещества головного мозга и его локальными вычислительными свойствами», — сказал Паркс. «Люди, у которых структура головного мозга лучше соответствует тому, как разные регионы обрабатывают быструю и медленную информацию, как правило, демонстрируют более высокие когнитивные способности».

Основываясь на этих результатах, команда расширяет свою работу, изучая нейропсихиатрические состояния , включая шизофрению, биполярное расстройство и депрессию, исследуя, как нарушения связности головного мозга могут изменять обработку информации.

Исследование проводилось в сотрудничестве с Аврамом Холмсом, доцентом кафедры психиатрии и ключевым сотрудником Института здоровья мозга Ратгерского университета и Центра передовых исследований в области визуализации человеческого мозга, а также с постдокторантами Ахмадом Беем и Эмбер Хауэлл, а также Джейсоном З. Кимом из Корнельского университета.