Всего за несколько секунд человек, идущий по городскому кварталу, может проверить свой телефон, зевнуть, беспокоиться об оплате аренды и скорректировать свой путь, чтобы избежать лужи. Запах тележки с едой мог внезапно вызвать воспоминания из детства, или они могли заметить крысу, едящую кусок пиццы, и сохранить этот образ как новое воспоминание.
Для большинства людей быстрое и плавное изменение поведения является обыденной частью повседневной жизни.
Для нейробиологов это одна из самых замечательных способностей мозга. Это потому, что разные виды деятельности требуют, чтобы мозг использовал разные комбинации своих многочисленных областей и миллиардов нейронов. Как ему удается сделать это так быстро, оставалось открытым вопросом на протяжении десятилетий.
В статье , опубликованной 8 марта в журнале Nature Human Behavior , группа исследователей под руководством Джошуа Джейкобса, доцента биомедицинской инженерии в Columbia Engineering, пролила новый свет на этот вопрос. Тщательно отслеживая нервную активность людей, которые вспоминали воспоминания или формировали новые, исследователям удалось обнаружить, как новый тип мозговых волн — бегущие волны — влияет на хранение и извлечение воспоминаний.
«В целом мы обнаружили, что волны имеют тенденцию перемещаться от задней части мозга к передней, когда пациенты что-то помещают в свою память », — сказала соавтор статьи Ума Р. Мохан, научный сотрудник НИЗ и бывший научный сотрудник НИЗ. Лаборатория электрофизиологии, памяти и навигации в Columbia Engineering.
«Когда пациенты позже пытались вспомнить ту же информацию, эти волны двигались в противоположном направлении, от передней части мозга к задней», — сказала она.
В мозгу некоторых из 93 участников исследования волны распространялись в других направлениях.
«Пациенты были очень разными, поэтому мы внедрили систему, основанную на том направлении, в котором «предпочитают» двигаться колебания человека», — сказал Мохан.
Исследователи говорят, что эти результаты продвигают фундаментальные нейробиологические исследования и указывают на диагностические и терапевтические подходы к расстройствам, связанным с памятью.
«Мы думаем, что эта работа может привести к новым подходам к взаимодействию с мозгом. Измеряя направление движения мозговых волн человека , мы сможем предсказать его поведение», — сказал Джейкобс.
Мозговые волны — это закономерности электрических колебаний, которые отражают состояние сотен или тысяч отдельных нейронов в конкретный момент. Один из основных вопросов, который остается нерешенным, заключается в том, управляют ли мозговые волны активностью или просто возникают как побочный продукт уже происходящей нейронной активности. Исследователи, изучающие мозговые волны, склонны рассматривать их как стационарное явление, возникающее в определенном регионе, отмечая, что колебания в нескольких регионах кажутся синхронизированными.
В этом исследовании Мохан и ее коллеги способствуют растущему пониманию этих колебаний по-другому, как «бегущих волн», которые распространяются по коре головного мозга, самому внешнему слою, который поддерживает высшую когнитивную обработку. Мохан сравнивает бегущие волны с рябью, которая распространяется наружу после того, как в пруд бросают камешек.
«Мы рассматриваем нейронные колебания не как независимые стационарные явления, а как явления, которые постоянно и спонтанно динамически движутся по мозгу», — сказал Мохан.
Этот относительно новый способ понимания мозговых волн является захватывающим шагом в нейробиологии, поскольку он открывает путь к объяснению того, как мозг быстро координирует деятельность и распределяет информацию по нескольким областям.
Исследование основывалось на данных участников, которые лечились от лекарственно-устойчивой эпилепсии в больницах по всей территории Соединенных Штатов. Эксперименты проводились, когда участникам временно имплантировали сетки или полоски электродов на поверхность мозга под черепом, чтобы определить, где у пациентов возникают судороги. Для исследователей эти электроды дают возможность проводить эксперименты, которые в противном случае были бы невозможны.
«Это редкая возможность увидеть, что происходит непосредственно в мозгу, в то время как участники участвуют в различных когнитивных действиях», — сказал Мохан.
В ходе экспериментов исследователи записывали мозговую активность участников, пока они выполняли задачи, требующие запоминания и припоминания списков слов или букв.
После экспериментов исследователи проанализировали активность мозга каждого участника в контексте того, что они делали при выполнении задания на запоминание и насколько хорошо они справились.
«Я реализовал метод, позволяющий маркировать волны, движущиеся в одном направлении, как «хорошие для запоминания чего-либо в памяти». Затем мы смогли увидеть, как направление менялось в ходе выполнения задачи», — сказал Мохан. Этот метод основан на предыдущих исследованиях лаборатории Джейкобса за счет расширения математической структуры, используемой для понимания огромных объемов данных, полученных в результате этих экспериментов.
«Волны имели тенденцию идти в направлении кодирования участника, когда он помещал что-то в память, и в противоположном направлении прямо перед тем, как он вспомнил слово», — сказала она. «В целом, эта новая работа связывает бегущие волны с поведением, демонстрируя, что бегущие волны распространяются в разных направлениях по коре головного мозга для отдельных процессов памяти».
Данные также показали, что участники, как правило, выполняли задачу на запоминание более точно, когда бегущие волны двигались в соответствующем направлении для хранения и воспроизведения памяти.
«Эти результаты проливают свет на механизмы, лежащие в основе обработки памяти. В более широком смысле, они помогают нам лучше понять, как мозг поддерживает широкий спектр моделей поведения, которые включают точно скоординированные взаимодействия между областями мозга», — сказал Мохан.
Потенциальное воздействие и будущие направления
Поскольку бегущие волны становятся все более хорошо изученными, они могут стать основой для нового класса диагностических инструментов, которые распознают аномальные закономерности в активности мозга.
Существует также значительный терапевтический потенциал.
«Если чьи-то волны движутся в неправильном направлении, когда они собираются что-то вспомнить, это может привести к ухудшению памяти», — объяснил Мохан. «Если бы вы могли правильно применять стимуляцию, вы, возможно, могли бы заставить эти волны двигаться в другом направлении, вызывая принципиально иное состояние памяти».
Достижения в понимании бегущих волн открывают значительный потенциал для взаимодействия человека и компьютера.
Что касается исследований и применения, Мохан отмечает, что память — это лишь отправная точка.
«Меня интересует, как изменяются характеристики бегущих волн коры, чтобы поддерживать широкий спектр когнитивных функций, включая внимание и ассоциативную память», — сказала она.
«Направление распространения бегущей волны может сказать нам, где информация движется по мозгу в каждый момент, показывая нам, как разные части мозга передают информацию во время поведения», — сказал Джейкобс.
