В коре головного мозга нейроны расположены в шесть различных слоев, которые можно легко увидеть в микроскоп. Команда нейробиологов Массачусетского технологического института обнаружила, что эти слои также демонстрируют различные закономерности электрической активности, которые одинаковы во многих областях мозга и у нескольких видов животных, включая человека.

Исследователи обнаружили, что в самых верхних слоях в активности нейронов преобладают быстрые колебания, известные как гамма-волны. В более глубоких слоях преобладают более медленные колебания, называемые альфа- и бета-волнами. По словам исследователей, универсальность этих паттернов предполагает, что эти колебания, вероятно, играют важную роль во всем мозге.

Работа опубликована в журнале Nature Neuroscience.

«Когда вы видите что-то столь последовательное и повсеместное в коре головного мозга , это играет очень фундаментальную роль в том, что делает кора», — говорит Эрл Миллер, профессор нейробиологии Пикауэра, член Института обучения и памяти Пикауэра Массачусетского технологического института и один из старшие авторы нового исследования.

По словам исследователей, дисбаланс в том, как эти колебания взаимодействуют друг с другом, может быть связан с расстройствами головного мозга , такими как синдром дефицита внимания и гиперактивности.

«Известно, что чрезмерная синхронная нервная активность играет роль при эпилепсии, и теперь мы подозреваем, что различные патологии синхронности могут способствовать многим расстройствам головного мозга, включая нарушения восприятия, внимания, памяти и двигательного контроля. В оркестре играл один инструмент. рассинхронизация с остальным может нарушить целостность всего музыкального произведения», — говорит Роберт Дезимон, директор Института исследований мозга Макговерна Массачусетского технологического института и один из старших авторов исследования.

Андре Бастос, доцент кафедры психологии Университета Вандербильта, также является старшим автором статьи. Ведущие авторы — научный сотрудник Массачусетского технологического института Диего Мендоса-Халлидей и постдок Массачусетского технологического института Алекс Мейджор.

Миллиарды нейронов

Человеческий мозг содержит миллиарды нейронов, каждый из которых имеет свои собственные электрические импульсы. Вместе группы нейронов со схожим рисунком генерируют колебания электрической активности или мозговые волны, которые могут иметь разные частоты. Лаборатория Миллера ранее показала , что высокочастотные гамма-ритмы связаны с кодированием и извлечением сенсорной информации , тогда как низкочастотные бета-ритмы действуют как механизм контроля, определяющий, какая информация считывается из рабочей памяти.

Его лаборатория также обнаружила, что в определенных частях префронтальной коры разные слои мозга демонстрируют различные закономерности колебаний: более быстрые колебания на поверхности и более медленные колебания в глубоких слоях. Одно исследование , проведенное Бастосом, когда он был постдоком в лаборатории Миллера, показало, что когда животные выполняли задачи рабочей памяти, низкочастотные ритмы, генерируемые в более глубоких слоях, регулируют высокочастотные гамма-ритмы, генерируемые в поверхностных слоях.

Помимо рабочей памяти, кора головного мозга также является местом мышления, планирования и высокоуровневой обработки эмоций и сенсорной информации. В регионах, участвующих в этих функциях, нейроны расположены в шести слоях, и каждый слой имеет свою особую комбинацию типов клеток и связей с другими областями мозга .

«Кора головного мозга анатомически разделена на шесть слоев, независимо от того, смотрите ли вы на мышей, людей или любые виды млекопитающих, и эта закономерность присутствует во всех областях коры каждого вида», — говорит Мендоза-Халлидей. «К сожалению, многие исследования активности мозга игнорировали эти слои, потому что, когда вы записываете активность нейронов, было трудно понять, где они находятся в контексте этих слоев».

В новой статье исследователи хотели выяснить, является ли картина слоистых колебаний, которую они наблюдали в префронтальной коре, более распространенной и встречается ли она в разных частях коры и у разных видов.

Используя комбинацию данных, полученных в лабораториях Миллера, лаборатории Дезимоне, а также в лабораториях сотрудников Вандербильта, Нидерландского института нейронаук и Университета Западного Онтарио, исследователи смогли проанализировать 14 различных областей коры головного мозга четырех видов млекопитающих. Эти данные включали записи электрической активности трех пациентов, которым в мозг вживили электроды во время хирургической процедуры.

Запись с отдельных слоев коры в прошлом была затруднена, поскольку каждый слой имеет толщину менее миллиметра, поэтому трудно определить, с какого слоя электрод записывает. В этом исследовании электрическая активность записывалась с помощью специальных электродов, которые записывают данные со всех слоев одновременно, а затем передают данные в новый вычислительный алгоритм, разработанный авторами, под названием FLIP (процедура идентификации слоев на основе частоты). Этот алгоритм может определить, из какого слоя пришел каждый сигнал.

«Более современные технологии позволяют записывать все слои коры одновременно. Это открывает более широкую перспективу микросхем и позволяет нам наблюдать эту многоуровневую структуру», — говорит Мейджор. «Эта работа интересна, потому что она не только информативна о фундаментальной схеме микросхемы, но и обеспечивает надежный новый метод изучения мозга. Не имеет значения, выполняет ли мозг задачу или находится в состоянии покоя, и его можно наблюдать всего за пять до 10 секунд».

У всех видов в каждом изученном регионе исследователи обнаружили один и тот же многоуровневый паттерн активности.

«Мы провели массовый анализ всех данных, чтобы увидеть, сможем ли мы найти одну и ту же закономерность во всех областях коры, и вуаля, она была повсюду. Это было реальным признаком того, что то, что ранее наблюдалось в нескольких областях, было представляет собой фундаментальный механизм коры головного мозга», — говорит Мендоса-Халлидей.

Поддержание баланса

Результаты подтверждают модель , ранее выдвинутую лабораторией Миллера, которая предполагает, что пространственная организация мозга помогает ему включать новую информацию, переносимую высокочастотными колебаниями, в существующие воспоминания и мозговые процессы, которые поддерживаются низкочастотными колебаниями. . По мере того, как информация передается от слоя к слою, входные данные могут быть включены по мере необходимости, чтобы помочь мозгу выполнять определенные задачи, такие как выпечка нового рецепта печенья или запоминание номера телефона.

«Последствием ламинарного разделения этих частот, как мы заметили, может стать возможность поверхностным слоям представлять внешнюю сенсорную информацию с более высокими частотами, а глубоким слоям — представлять внутренние когнитивные состояния с более медленными частотами», — говорит Бастос. «Высокоуровневый вывод заключается в том, что кора головного мозга имеет множество механизмов, включающих как анатомию, так и колебания, позволяющие отделять «внешнюю» информацию от «внутренней».

Согласно этой теории, дисбаланс между высокочастотными и низкочастотными колебаниями может привести либо к дефициту внимания, такому как СДВГ, когда доминируют более высокие частоты и поступает слишком много сенсорной информации, либо к бредовым расстройствам, таким как шизофрения, когда низкочастотные колебания слишком интенсивны. поступает сильная и недостаточная сенсорная информация.

«Правильный баланс между нисходящими управляющими сигналами и восходящими сенсорными сигналами важен для всего, что делает кора», — говорит Миллер. «Когда баланс нарушается, вы получаете широкий спектр нервно-психических расстройств».

Сейчас исследователи изучают, может ли измерение этих колебаний помочь диагностировать подобные расстройства. Они также изучают, может ли перебалансировка колебаний изменить поведение — подход, который однажды можно будет использовать для лечения дефицита внимания или других неврологических расстройств, говорят исследователи.

Исследователи также надеются сотрудничать с другими лабораториями, чтобы более подробно охарактеризовать модели слоистых колебаний в различных областях мозга.

«Мы надеемся, что, получив достаточное количество этих стандартизированных отчетов, мы начнем видеть общие закономерности активности в различных областях или функциях, которые могут выявить общий механизм вычислений, который можно будет использовать для двигательной активности, зрения, памяти и внимания. и так далее», — говорит Мендоса-Халлидей.