Стимуляция мозга с помощью электричества или других средств может помочь облегчить симптомы различных неврологических и психических расстройств, причем этот метод уже используется для лечения состояний от эпилепсии до депрессии.
Но что на самом деле происходит, когда врачи ломают мозг?
Мало что известно о том, что делает эту технику эффективной или на какие области мозга следует воздействовать при лечении различных заболеваний.
Новое исследование, проведенное Университетом Пенсильвании и Университетом Буффало, знаменует собой шаг вперед в заполнении этих пробелов в знаниях. В исследовании описывается, как стимуляция одной области мозга влияет на активацию других областей и крупномасштабную активность в головном мозге.
"У нас нет четкого представления о последствиях стимуляции мозга," – сказала первый автор Сара Малдун, доктор философии, доцент кафедры математики в Университете Колледжа искусств и наук Буффало и один из основных преподавателей программы UB по вычислительной науке и разработке с поддержкой данных (CDSE). "Когда у врача есть пациент с определенным заболеванием, как он может решить, какие части мозга стимулировать?? Наше исследование – шаг к лучшему пониманию того, как связь мозга может лучше информировать об этих решениях."
"Если вы посмотрите на архитектуру мозга, то окажется, что он представляет собой сеть взаимосвязанных областей, которые сложным образом взаимодействуют друг с другом. Вопрос, который мы задали в этом исследовании, заключался в том, какая часть мозга активируется при стимуляции одной области. Мы обнаружили, что некоторые области могут очень легко управлять мозгом в различных состояниях при стимуляции, в то время как другие области оказывают меньшее влияние," сказала Даниэль С. Бассетт, доктор философии, Эдуардо Д. Научный сотрудник факультета Гландта и доцент кафедры биоинженерии Школы инженерии и прикладных наук Пенсильванского университета.
Исследование проводилось в сотрудничестве с когнитивным нейробиологом Жаном М. Феттель, доктор философии из лаборатории армейских исследований; теоретик управления Фабио Паскуалетти из Калифорнийского университета в Риверсайде; Скотт Т. Графтон, доктор медицины, и Мэтью Чеслак из Калифорнийского университета в Санта-Барбаре; и Ши Гу с факультета психиатрии Пенсильванского университета. Исследование было опубликовано сент. 9 в вычислительной биологии PLOS.
В исследовании использовалась вычислительная модель для имитации активности мозга у восьми человек, чья структура мозга была нанесена на карту с использованием данных, полученных из изображений диффузного спектра, типа изображения мозга, полученного с помощью МРТ-сканера. В ходе исследования изучалось влияние стимуляции каждой из 83 областей мозга каждого испытуемого.
Хотя результаты варьировались в зависимости от человека, выявились общие тенденции.
Сетевые концентраторы – области мозга, которые прочно связаны с другими частями мозга через белое вещество мозга – отображали то, что исследователи называют "высокий функциональный эффект": Стимуляция этих областей привела к глобальной активации многих областей мозга.
Этот эффект был особенно заметен в двух подсетях мозга, которые, как известно, содержат несколько региональных узлов: подкорковая сеть (которая состоит из областей, которые развивались относительно рано и имеют решающее значение для обработки эмоций) и сеть режима по умолчанию (которая состоит из областей, которые развились позже и имеют решающее значение для обработки самореференции, когда человек находится в состоянии покоя или не выполняет какую-либо задачу).
Стимулирование областей в подкорковой сети привело к глобальным изменениям, в которых засветились самые разные области в мозгу субъекта. Стимулирование регионов в сети режима по умолчанию также легко приводило к множеству новых состояний мозга, хотя паттерны активации были ограничены базовой архитектурой мозга – связями белого вещества между узлами сети и другими частями мозга. Несмотря на это ограничение, гибкость сети поддерживает идею о том, что мозг "отдыхать" хорошо подходит для быстрого перехода к множеству новых состояний, ориентированных на выполнение конкретных задач.
В отличие от регионов в сети режима по умолчанию и подкорковых сетях, более слабосвязанные области, такие как сенсорная и ассоциативная кора, при активации оказывали более ограниченное влияние на активность мозга.
Эти закономерности предполагают, что врачи могут использовать два класса терапии, когда дело доходит до стимуляции мозга: "широкий сброс" который изменяет глобальную динамику мозга, или более целенаправленный подход, который фокусируется на динамике всего нескольких регионов.
Исследование подтверждает выводы прошлых исследований Бассетта и других о контролируемости структурных сетей мозга. В отличие от прошлых работ, в которых для получения результатов использовалось линейное моделирование, в новом исследовании использовались нелинейные модели, которые более точно отражают сложную деятельность мозга, сказал Малдун.