Как спонтанные ритмы мозга влияют на обработку сенсорных сигналов

Ученые из России, Германии и США выяснили, какие механизмы лежат в основе влияния текущего состояния мозга на обработку сенсорной информации. Результаты исследования опубликованы в статье Multiple mechanisms link prestimulus neural oscillations to sensory responses в журнале eLIFE. 

Credit: Stockvault.net

В отличие от компьютера, мозг человека может по-разному отвечать на один и тот же стимул, что связано с различиями в состоянии мозга на момент обработки стимула. Даже в состоянии покоя мозг проявляет спонтанную активность, которая влияет на восприятие слуховых, зрительных и соматических раздражителей. На электроэнцефалограмме (ЭЭГ) эта активность отображается в виде нейрональных колебаний разной частоты и амплитуды. В свою очередь, реакция на стимул исследуется с помощью метода вызванных потенциалов — регистрации биоэлектрических реакций мозга на стимул.

То, как спонтанные нейрональные колебания влияют на вызванные потенциалы, остается предметом активных исследований. Ответ на этот вопрос позволит понять, как мозг улучшает эффективность обработки информации путем изменения своего фонового состояния. Более того, такие патологии как шизофрения и аутизм во многом связаны с особенностями спонтанной нейрональной активности, влияющей на обработку поступающих в мозг сигналов.

С помощью ЭЭГ и метода вызванных потенциалов исследователи обнаружили, что низкочастотные альфа- и бета-ритмы мозга, характерные для спокойного бодрствования, подавляют ранние компоненты вызванных потенциалов, которые фиксируются на ЭЭГ в первые 200 миллисекунд. Это может являться механизмом подавления зрительных стимулов, которые не релевантны и даже мешают выполнению текущих задач.

В то же время оказалось, что более поздние компоненты вызванных потенциалов, которые регистрируются примерно через 400 миллисекунд после предъявления стимула, увеличиваются в амплитуде при увеличении мощности альфа-ритма. Однако такое увеличение противоречит теории подавления сигналов, которая подтвердилась для ранних компонентов.

Авторам удалось найти объяснение такому парадоксальному явлению и доказать, что увеличение амплитуды не связано с влиянием спонтанной активности на реакцию мозга напрямую. Оно лишь отражает тот факт, что спонтанные колебания изменяются под воздействием стимула не относительно нулевой линии, а относительно некоторого сдвинутого значения — ненулевой базовой линии. Воздействие визуального стимула приводит к постепенному затуханию спонтанных колебаний (например, альфа-осцилляций, равных примерно 10 Гц), что в свою очередь приводит к появлению позднего компонента вызванных потенциалов на ЭЭГ вследствие модуляции сдвига базовой линии.

Изучение механизмов влияния спонтанной активности мозга на обработку сенсорных сигналов позволяет разобраться в том, в каких состояниях мы наиболее восприимчивы к обработке информации. Открытие того факта, что ранняя и поздняя реакции мозга модулируются различными механизмами, позволит более точно оценить и интерпретировать данные о нейрональной активности, получаемые при помощи ЭЭГ.

Текст: ВШЭ

Multiple mechanisms link prestimulus neural oscillations to sensory responses