Группа нейробиологов из Пенсильванского университета построила первую полную мозговую карту электрических соединений в головном мозге на основе данных, полученных от почти 300 нейрохирургических пациентов с электродами, имплантированными непосредственно в мозг. Исследователи обнаружили, что низкочастотные ритмы мозговой активности, когда мозговые волны движутся вверх и вниз медленно, в первую очередь управляют связью между лобными, височными и медиальными височными долями, ключевыми областями мозга, которые участвуют во время обработки памяти.
Исследование, являющееся частью проекта «Восстановление активной памяти», было проведено Майклом Кахана, профессором психологии Пенсильванского университета и главным исследователем программы RAM Агентства перспективных исследовательских проектов Министерства обороны США; Итан Соломон, М.D./ Ph.D. студент кафедры биоинженерии; и Даниэль Риццуто, директор по когнитивной нейромодуляции Penn. Они опубликовали свои выводы в Nature Communications.
В этой работе выясняется, как различные области мозга взаимодействуют во время когнитивных процессов, таких как формирование памяти. Хотя во многих исследованиях изучались сети мозга с использованием неинвазивных инструментов, таких как функциональная МРТ, наблюдения за крупномасштабными сетями с использованием прямых записей человеческого мозга было трудно обеспечить, поскольку эти данные могут поступать только от нейрохирургических пациентов.
В течение нескольких лет команда Пенсильванского университета собирала эту информацию из нескольких больниц по всей стране, что позволило исследователям впервые наблюдать за такими электрическими сетями. Пациенты, проходящие клинический мониторинг судорог, выполняли задание на свободное вспоминание, в котором им предлагалось просмотреть серию слов на экране, а затем повторить столько слов, сколько они могли вспомнить.
В то же время исследователи изучили активность мозга, происходящую в медленных и быстрых временных масштабах, также называемую низко- и высокочастотной нейронной активностью. Они обнаружили, что, когда человек эффективно создает новые воспоминания – в данном случае запоминает одно из представленных слов – выравнивание между областями мозга имеет тенденцию усиливаться с медленными волнами активности, но ослабевает на более высоких частотах.
"Мы нашли," сказал Соломон, ведущий автор статьи, "что низкочастотная связь области мозга была связана с повышенной нейронной активностью в этом месте. Это говорит о том, что для того, чтобы кто-то сформировал новые воспоминания, две функции должны выполняться одновременно: области мозга должны индивидуально обрабатывать стимул, а затем эти области должны общаться друг с другом на низких частотах."
Определенные в этой статье области мозга – лобная, височная и медиальная височные доли – давно интересовали нейробиологов из-за их решающей роли в таких функциях памяти.
Эта работа поддерживает цель проекта RAM по использованию стимуляции мозга для улучшения памяти.
"Лучшее понимание сетей мозга, которые активируются во время обработки памяти," Кахана сказал, "дает нам лучшую способность точно настраивать электрическую стимуляцию, которая может улучшить ее. Теперь мы готовы спросить, можем ли мы использовать показатели функциональной связи, чтобы определить, на какую область мозга нацелить электрическую стимуляцию. В конечном итоге, учитывая размер этого набора данных, эти открытия были бы невозможны без многолетних усилий со стороны наших участников, клинических групп и ученых-исследователей."
Ранее в этом месяце команда RAM публично опубликовала обширный набор данных по внутричерепной записи мозга и стимуляции, который включал тысячи часов данных от 250 пациентов, выполняющих задачи памяти. Предыдущие исследования впервые показали, что электрическая стимуляция, осуществляемая, когда предполагалось, что память потерпит неудачу, может улучшить функцию памяти в человеческом мозгу. Та же самая стимуляция обычно становилась разрушительной, когда электрические импульсы приходили в периоды эффективной функции памяти.
Затем исследователи из Пенсильвании планируют изучить взаимодействие между стимуляцией мозга и функциональными связями, обнаруженными в последнем исследовании.
"Еще предстоит проделать значительную работу," Риццуто сказал, "прежде, чем мы сможем использовать эти карты связи для управления терапевтической стимуляцией мозга для пациентов с нарушениями памяти, такими как черепно-мозговая травма или болезнь Альцгеймера, но мы работаем над достижением этой цели."