Neurolodzy muszą opanować rytmy percepcji, aby zrozumieć dysfunkcję

Obserwacja pikseli w telefonie pod mikroskopem może być bardzo przydatna, ale nie wtedy, gdy Twoim celem jest zrozumienie, co cały film pokazuje na ekranie. Percepcja jest tym samym rodzajem właściwości, które powstają w mózgu. Można to zrozumieć jedynie obserwując współdziałanie milionów komórek, twierdzą trzej neurobiolodzy z MIT. W nowym artykule przedstawiają ramy pozwalające zrozumieć, w jaki sposób myśl powstaje w wyniku koordynacji aktywności neuronalnej napędzanej przez oscylujące pola elektryczne – znane również jako „fale” lub „rytmy” mózgu.

Historycznie rzecz biorąc, rytmy mózgowe były odrzucane jako zwykłe produkty uboczne aktywności neuronów, ale w rzeczywistości są niezbędne do ich regulacji, piszą profesor Picower Earl Miller oraz naukowcy Scott Brincat i Jefferson Roy w Current Opinion in the Behavioral Sciences. Chociaż neurobiolodzy zdobyli ogromną wiedzę, badając, w jaki sposób poszczególne komórki mózgowe komunikują się oraz jak i kiedy „odpalają”, wysyłając impulsy przez określone obwody, istnieje również potrzeba docenienia i zastosowania nowych koncepcji w skali rytmu mózgu, która może obejmować pojedyncze lub nawet wiele obszarów mózgu.

„Igły i anatomia są ważne, ale w mózgu dzieje się jeszcze więcej” – powiedział główny badacz Miller, pracownik naukowy w Picower Institute for Learning and Memory oraz na Wydziale Mózgu i Nauk Kognitywnych MIT. „Istnieje wiele funkcji, które zachodzą na wyższym poziomie, zwłaszcza funkcje poznawcze”.

Naukowcy napisali, że ryzyko związane z badaniem mózgu na taką skalę może obejmować zrozumienie nie tylko funkcji zdrowotnych wyższego rzędu, ale także tego, w jaki sposób funkcje te ulegają zakłóceniom w przebiegu choroby.

„Wiele zaburzeń neuropsychiatrycznych, takich jak schizofrenia, epilepsja i choroba Parkinsona, wiąże się z zaburzeniem pojawiających się właściwości, takich jak synchronizacja neuronowa” – napisali. „Oczekujemy, że zrozumienie, jak interpretować te nowe właściwości i wchodzić w interakcję z nimi, będzie miało kluczowe znaczenie dla opracowania skutecznych metod leczenia, a także zrozumienia funkcji poznawczych”.

Pojawienie się pomysłów

Naukowcy napisali, że pomost pomiędzy wielkością poszczególnych neuronów a szerszą koordynacją wielu komórek zależy od pól elektrycznych. Poprzez zjawisko zwane „nagłym sprzężeniem” pole elektryczne generowane przez aktywność neuronu może wpływać na napięcie sąsiednich neuronów, tworząc między nimi wyrównanie. W ten sposób pola elektryczne odzwierciedlają aktywność neuronów, ale także na nią wpływają. W Artykuł w 2022 rMiller i jego współpracownicy wykazali poprzez eksperymenty i modelowanie obliczeniowe, że informacje zakodowane w polach elektrycznych generowanych przez grupy neuronów można odczytać z większą wiarygodnością niż informacje zakodowane przez impulsy pojedynczych komórek. W 2023 roku laboratorium Millera dostarczyło dowodów na to, że rytmiczne pola elektryczne mogą mieć miejsce Formatowanie pamięci Między regionami.

Na szerszą skalę, w której rytmiczne pola elektryczne przenoszą informacje między obszarami mózgu, laboratorium Millera opublikowało kilka badań wykazujących, że rytmy o niskiej częstotliwości w tak zwanym zakresie „beta” powstają w głębszych warstwach kory mózgowej i Wydaje się, że jest to zorganizowane Siła rytmów „gamma” o większej częstotliwości w warstwach bardziej powierzchownych. Rejestrując aktywność neuronową w mózgach zwierząt zaangażowanych w gry pamięci roboczej, laboratorium wykazało, że rytmy beta przenoszą sygnały „z góry na dół” kontrolujące, kiedy i gdzie rytmy gamma mogą kodować informacje sensoryczne, takie jak obrazy, które zwierzęta muszą zapamiętać. gra.

Niektóre z najnowszych dowodów laboratoryjnych sugerują, że rytmy beta kierują procesami poznawczymi do fizycznych obszarów kory mózgowej, zasadniczo zachowując się jak szablony określające, gdzie i kiedy gamma może zakodować informacje zmysłowe w pamięci lub je odzyskać. Zgodnie z tą teorią, którą Miller nazywa „Obliczenia przestrzenne„, wersja próbna może wygenerować ogólne zasady zadania (np. obrót w przód i w tył wymagany do odblokowania zamka szyfrowego), nawet jeśli zmieni się konkretna treść informacji (np. nowe liczby po zmianie kombinacji) Więcej Ogólnie rzecz biorąc, architektura ta umożliwia neuronom elastyczne kodowanie więcej niż jednego rodzaju informacji na raz, jak piszą autorzy, powszechnie obserwowaną właściwość neuronów zwaną „selektywnością mieszaną”, która jest przypisana, na podstawie znalezionej w niej poprawki eksperymentalnej, do specyficznego krok procesu odblokowania interesującego Cię numeru.

W nowym badaniu Miller, Brincat i Roy proponują inną funkcję zgodną z kontrolą poznawczą, która opiera się na wzajemnym oddziaływaniu skoordynowanych działań rytmicznych na dużą skalę: „kodowanie podprzestrzenne”. Koncepcja ta zakłada, że ​​rytmy mózgowe regulują ogromną liczbę możliwych skutków, które mogą wynikać z, powiedzmy, zaangażowania 1000 neuronów w niezależną, impulsową aktywność. Zamiast wielu możliwości kombinatorycznych, w rzeczywistości powstaje mniej „podprzestrzeni” aktywności, ponieważ neurony są skoordynowane, a nie niezależne. To tak, jakby impuls neuronów był jak stado ptaków koordynujących swoje ruchy. Różne fazy i częstotliwości rytmów mózgowych zapewniają tę koordynację, harmonizując w celu wzajemnego wzmacniania lub kompensując, aby zapobiec zakłóceniom. Na przykład, jeśli trzeba zapamiętać informację zmysłową, reprezentującą ją aktywność neuronową można chronić przed zakłóceniami, gdy postrzegana jest nowa informacja zmysłowa.

„Zatem organizowanie odpowiedzi neuronowych w podprzestrzenie może oddzielać i integrować informacje” – piszą autorzy.

Naukowcy napisali, że zdolność rytmów mózgowych do koordynowania i organizowania przetwarzania informacji w mózgu umożliwia pojawienie się poznania funkcjonalnego na taką skalę. Dlatego zrozumienie procesów poznawczych w mózgu wymaga studiowania rytmów.

„Badania izolowanych poszczególnych elementów nerwowych – poszczególnych neuronów i synaps – wniosły ogromny wkład w naszą wiedzę o mózgu i pozostają one ważne” – podsumowali naukowcy. „Jednak staje się coraz bardziej jasne, że aby w pełni zrozumieć złożoność mózgu, należy wspólnie przeanalizować te elementy, aby zidentyfikować, zbadać i skorelować ich wyłaniające się właściwości”.