Исследователи сделали важный шаг к расшифровке сложной нейроэлектрической коммуникационной системы мозга, которая может лежать в основе нарушений сна и таких состояний, как болезнь Альцгеймера, эпилепсия и шизофрения.
Сложная коммуникационная сеть соединяет группы нейронов, которые можно идентифицировать и изучать, визуализируя мозг, пока человек отдыхает, используя функциональную магнитно-резонансную томографию. Поскольку состояние покоя мозга не зависит от какой-либо конкретной задачи, этот подход позволяет изучить его "внутренняя функциональная организация," сказал Чжунмин Лю, доцент кафедры биомедицинской инженерии, электротехники и вычислительной техники в Университете Пердью.
"Обоснование этого заключается в том, что, когда мозг ничего не делает, он не в буквальном смысле слова спокоен, но остается очень активным, обеспечивая множество видов сигналов," он сказал.
Исследователи Purdue работают над интерпретацией данных функциональной магнитно-резонансной томографии, которая отслеживает изменения кровотока в головном мозге.
"Данные, относящиеся к кровотоку, отличаются от языка, на котором говорят сами нейроны," – сказал Лю, чье исследование также связано с Институтом интегративной нейробиологии Пердью. "Нейроны используют электрические сигналы, чтобы общаться друг с другом, и эти электрические сигналы происходят намного быстрее, чем кровоток. Итак, мы переводим эти медленные сигналы кровотока в быстрые сигналы, которые используют нейроны."
Новые результаты исследований подробно описаны в исследовательской статье, опубликованной 1 июня в Journal of Neuroscience, ведущем журнале Общества нейробиологии. Авторы статьи – докторант Хайгуан Вэнь и Лю.
Работа связана с проектом Human Connectome Project, общенациональным проектом, финансируемым Национальными институтами здравоохранения, по составлению карты нейронных путей мозга.
Чтобы преобразовать данные кровотока с помощью фМРТ в нейроэлектрические сигналы, используемые нейронами, исследователи Purdue использовали данные мозга, полученные тремя методами: электрокортикографией, которая использует датчики на коре головного мозга для регистрации электрических сигналов; магнитоэнцефалография, которая измеряет магнитные поля, создаваемые мозгом; и электроэнцефалография, которая измеряет электрические сигналы на коже черепа, в то время как человека также сканируют с помощью фМРТ.
Считается, что нейроны разговаривают друг с другом, используя "колебания" с той же частотой. В то время как регионы сообщаются друг с другом в четко определенных ритмических колебаниях, исследователи также исследуют "безмасштабный" форма общения, в которой отсутствуют четко определенные ритмические черты.
"Эти безликие сигналы часто игнорируются нейробиологами, потому что они считаются шумом или чем-то неважным," Лю сказал. "Мы вынули эти сигналы из мусорного ведра и обнаружили, что они на самом деле очень важны, потому что они синхронизированы между почти всеми группами нейронов в мозгу."
В то же время данные фМРТ кровотока показывают, что сети мозга также функционируют, используя "Глобальный" форма общения, выходящая за пределы этих групп и вовлекающая весь мозг.
"Мы обнаружили, что внешне безликая, безмасштабная деятельность имеет тенденцию глобально колебаться и глобально синхронизироваться," он сказал.
Понимание работы сложной и глобальной коммуникационной сети мозга может позволить исследователям изучить механизмы, лежащие в основе нарушений сна и различных состояний, таких как шизофрения, аутизм, болезнь Альцгеймера и эпилепсия.
Изменения или нарушения в колебаниях мозга "возбуждение," или настороженность, может играть центральную роль во многих болезненных состояниях.
"Эта безмасштабная активность колеблется из-за колебаний возбуждения," Лю сказал. "Эти сигналы глобально синхронизируются во всех сетях. Важно отметить, что теперь мы знаем, что эта глобальная коммуникация использует уникальный язык, полностью отличный от колебаний на определенных частотах, используемых в каждой отдельной сети. И это важно, потому что это помогает в переводе сигналов кровотока и паттернов колебаний на разные языки, которые нейроны используют для разных целей. Это приближает нас на один шаг к преобразованию сигнала кровотока в сигнал нейронов. Мы не решили полностью эту проблему перевода, но мы думаем, что решили большую ее часть."
Будущие исследования будут включать в себя работу по изучению нарушений сна и неврологических расстройств, а также с участием исследователей из Медицинской школы Университета Индианы.