Ученые из MIT провели эксперимент, в котором оценивали нейрональную активность мозга обезьян при решении задачи на рабочую память. Ученые выяснили, что паттерн, или рисунок активности не стоит на месте. Он перемещается по мозгу, словно волны на воде. При этом направление, ротация и скорость перемещения зависят от типа нагрузки на рабочую память. Об этом – статья в журнале PLOS Computational Biology.
Credit: public domain
Чтобы изучить особенности функционирования, мозга ученые используют нейровизуализационные технологии, позволяющие отслеживать нейрональные осцилляции (активности). Суть таких осцилляций заключается в синхронной активности группы нейронов, которая происходит с определенной частотой и формирует непосредственно мозговые ритмы, которые можно «прочитать».
Мозговые ритмы. Credit: public domain
Такие мозговые ритмы, или волны, могут быть стационарными или динамическими (“путешествующими”). Как правило, в исследованиях ритмов мозга описываются стационарные волны. При этом оцениваются такие их характеристики, как амплитуда, частота, фаза и прочие.
Ученые из MIT решили обратить внимание на другой тип волн – динамические. Они характеризуются последовательным перемещением волновых пиков по коре мозга. Наилучшей аналогией здесь могут быть волны на воде. Отличие, правда, будет в том, что волна на воде распространяется во все стороны. В мозге же волна будет распространяться в определенном направлении в зависимости от особенностей нейронов.
Более того, волна активности, у которой так же, как и на рисунке выше, есть амплитудные пики и спады, вращается по или против часовой стрелки. Поэтому основными характеристиками динамической волны будут скорость, направление и угол поворота (ротация).
В эксперименте обезьяны должны были решать задачу “отложенного сопоставления с образцом” (delayed match-to-sample task). Перед обезьяной появлялся образец, который затем исчезал, и наступала пауза на 2 секунды. Затем появлялись два объекта, один из которых соответствовал образцу, а другой — нет. Обезьяны должны были задержать взгляд на том, что соответствовал. Во время выполнения этого задания ученые записывали активность префронтальной коры (Local Field Potentials c дорсолатеральной префронтальной коры, DLPFC), используя электродные сетки, вживленные в мозг животным в левое и правое полушария.
Схема эксперимента. Credit: Bhattacharya et al. / PLOS Computational Biology 2022
Исследователи обнаружили, что в лобной коре можно наблюдать много динамических волн, характер которых изменялся во время тестирования. Так, альфа (8-12 Гц) и бета (12-30 Гц) активность уменьшалась во время презентации образца и увеличивалась во время перерыва, когда обезьяны удерживали образец в своей рабочей памяти. В то же время тета (4-8 Гц) и гамма (40-120 Гц) активность демонстрировала обратную тенденцию. Однако эти изменения не наступали одновременно во всех электродах: их можно было прослеживать в динамике.
Изображение ниже показывает электродную сетку 8×8. В качестве анатомических ориентиров используются дугообразная и основная (принципиальная) борозды. Цвета показывают путешествие пиков бета активности (выбрана в качестве примера). Красный свет обозначает пик, синий — спад. На рисунке показана активность в 8 разных моментов времени: начальный и через каждые 4 мс до 28 мс. Направление стрелки показывает перемещение пиков волны. Можно видеть, как пики перемещаются от верхней части к нижней.
Credit: Bhattacharya et al. / PLOS Computational Biology 2022
Чтобы показать такие волны более явным образом, ученые отобразили колебания потенциала одной колонки электродов (отмечены на рисунке выше пунктиром) во временной развертке. На рисунке явно прослеживается постепенное продвижение пиков LFP как во времени, так и в пространстве.
Credit: Bhattacharya et al. / PLOS Computational Biology 2022
Как мы знаем, у волны помимо амплитуды (пиков и спадов) также есть фазовая характеристика, которая должна изменяться от электрода к электроду. Ученые подтвердили это, изобразив фазовый градиент в 8 разных временных периодов, как было сделано выше с амплитудой. Здесь снова четко прослеживается направление движения волны. Синим отмечена волна, которая спадает, а красным — нарастающая.
Credit: Bhattacharya et al. / PLOS Computational Biology 2022
Таким образом, в префронтальной коре оказались динамические, путешествующие волны. Но следующий вопрос, который волновал ученых, заключался в том, с какой скоростью такие волны перемещаются. Скорость распространения волн для разных диапазонов составляла от 20 до 60 см/сек. При этом бОльшая частота распространялась с бОльшей скоростью.
Скорости распространения волн. Credit: Bhattacharya et al. / PLOS Computational Biology 2022
Но помимо того, что волна распространяется с течением времени, она еще и крутится в пространстве. Интересно, что крутящихся волн было значительно больше среди всех динамических. При этом, как оказалось, у каждой волны можно наблюдать предпочтительное направление движения. В ходе выполнения задачи на определенной ее стадии вероятность распространения волн в этих направлениях уменьшалась или увеличивалась. Среднее для обеих обезьян и двух полушарий можно видеть на графике ниже для каждого диапазона частот. График также показывает, что есть определенная разница в распространении волн во время решения задачи и при отсутствии когнитивной нагрузки (baseline).
Характер “кручения” волн. Credit: Bhattacharya et al. / PLOS Computational Biology 2022
На разной стадии задачи (презентации образца, удержании объекта в памяти и тестировании) для каждой волны появлялось предпочитаемое направление движения. Для первых двух стадий, к примеру, бета волны предпочитают положительное направление (красная линия), в то время как для стадии тестирования — отрицательные (синяя линия). Сделать такой же вывод для альфа и тета ритмов не получится.
Предпочитаемое направление движения волн. Credit: Bhattacharya et al. / PLOS Computational Biology 2022
Таким образом, ученые показали, что для рабочей памяти важную роль играют динамические волны в диапазоне от 4 до 30 Гц, которые можно наблюдать в префронтальной коре обезьян. Большая часть из этих волн вращается при передвижении коры. Ориентация таких волн изменяется во время выполнения теста на рабочую память, сперва распространяется в две противоположные стороны, но организуясь в одном направлении при тестировании.
Ученые сделали предположение, что динамические волны могут быть связаны с поддержанием активности в нейрональных сетях рабочей памяти, позволяя им постоянно оставаться во включенном состоянии.
Однако, стоит отметить, что столь хорошая статья, сделанная одним из лучших университетов мира на приматах, могла бы быть опубликованной и в Science, а не в PLOS Computational Biology. В чем же проблема? Если разобраться в данных, становится понятна очень маленькая статистическая мощность выводов, которые делают авторы. Так что на самом деле эта статья — скорее предположение, чем доказательство важной роли динамических волн.
Текст: Никита Отставнов
Traveling waves in the prefrontal cortex during working memory by Sayak Bhattacharya, Scott L. Brincat, Mikael Lundqvist, Earl K. Miller in PLOS Computational Biology. Published January 2022. https://doi.org/10.1371/journal.pcbi.1009827
Учёные из США протестировали нейропротез для усиления памяти человека. Краткосрочная память пациентов при использовании этого устройства улучшилась на 35-37 процентов по сравнению с контрольной группой,…
Нейроученые и психологи представили новейшие аппаратные и психолого-педагогические методы реабилитации для людей с нейроотличиями на конференции «Редкий мозг». 17-18 марта 2022 года состоялась масштабная онлайн-конференция…
Сейчас мы ежедневно рассказываем о том, что происходило на конференции SfN2019. Но это не первая конференция такого рода. И год, два, три назад там тоже…
В новом исследовании ученые из Университета Техаса применили технологию миллиметровых имплантатов мозга для изучения того, какие части мозга связаны с распознаванием лиц и сцен. Подробнее…
Пептидный гормон голода грелин влияет на то, где и когда животные едят, но, как выяснилось в недавнем исследовании, помимо этого, грелин также влияет на память….
Мы поговорили с Григорием Ениколоповым, председателем конференции, профессором Университета Стони Брук (США), основавшим Лабораторию стволовых клеток мозга на факультете нано-, био-, информационных и когнитивных технологий…
