Тайнствените спираловидни сигнали в човешкия мозък

В човешкия мозък има много слоеве. От набръчканата му външна част до най-тъмните му дълбини и учените се опитват да разберат всички тях. Но изглежда са пренебрегнали модели на активност на повърхността.

Екип физици, занимаващи се с флуиди, от университета в Сидни в Австралия и университета Фудан в Китай открили мозъчни сигнали, които се проявяват през най-външния слой на нервната тъкан на мозъка - мозъчната кора, след като сканирали мозъците на 100 човека. Сигналите били като спирали, подобни на вихър от турбулентен въздух.

„Ако успеем да разберем как спиралите са свързани с когнитивните процеси това може значително да подобри разбирането ни за динамиката и функциите на мозъка“, каза старшият автор Пулин Гонг, физик от университета в Сидни.

Кортексът е набръчканият външен слой на мозъка, изграден от плътна невронна тъкан, която е нагъната в двете полукълба на мозъка ни. Тази част е отговорна за сложните ни когнитивни функции като език и съхраняване на спомени.

Невролозите са се фокусирали върху „картографирането“ на мозъчната активност отдолу нагоре, за да разберат вътрешната работа на региони като кортекса: събират изображения на клетките, за да определят как комуникират в мрежи, което поражда и техните функции.

Mysterious Spiral-Shaped Signals Detected in The Human Brain https://t.co/7wMWlIl9DY

— ScienceAlert (@ScienceAlert) June 30, 2023

Екип анализирал данни от изображения на мозъка, събрани като част от проекта Human Connectome, използвайки методи, познати на физиците, които се занимават с флуиди и сложни вълнови модели в турбулентни потоци.

Функционалните MRI сканирания произвеждат образни данни, които показват кога и къде мозъкът „светва“ в изблик на активност и е наситен с кислород. Спираловидните модели, идентифицирани в данните, приличат на калейдоскопични вълни.

„Тези спирални модели показват сложна динамика, движейки се по повърхността на мозъка, докато се въртят около централни точки, известни като фазови сингулярности“, обяснява Гонг.

„Подобно на вихрите при турбуленция, спиралите участват в сложни взаимодействия и имат решаваща роля в организирането на важните дейности на мозъка“, хипотезира той.

Ритмични, спираловидни вълни са били откривани и преди в невронни вериги, движещи се през локални мозъчни региони, които обработват сензорни входове, като зрителния, слуховия и соматосензорния кортекс.

Но как вълните, подобни на водовъртеж, могат да се материализират в мозъчната кора не е било проучвано досега, оставяйки пропуски в разбирането ни за това как мозъчните функции във всеки от регионите се свързват.

Изглежда, че спиралните вълни обхващат множество мрежи от взаимосвързани клетки и са разположени на много определени анатомични места, което предполага, че те могат да играят известна роля в координирането на мозъчната дейност.

Тази теория била тествана с допълнителни анализи, от които станало ясно, че спиралите променяли посоката си, за да регулират мозъчната активност при езикови задачи и такива свързани с паметта, като слушане на истории и отговаряне на математически задачи.

How Spiral Brain Signal Patterns Organize Cognitive Activity - https://t.co/uoL3QPRKmM via @neurosciencenew

— OBI. NWAJIOBI (@NwajiobiObi) June 16, 2023

„Една ключова характеристика на тези мозъчни спирали е, че те често се появяват на границите, които разделят различните функционални мрежи в мозъка“, обяснява студентът по физика Ибен Сю, от университета в Сидни.

Изследователите смятат, че въртящите се спирали на тези места могат да действат като порта, позволявайки на мозъчната активност да тече през друга област, когато завъртанията са противоположни, или като стена, блокирайки я, когато се въртят в същата посока.

„Чрез своето въртеливо движение те ефективно координират потока от дейности между тези мрежи“, предполага Xu.

Констатациите отговарят на алтернативна теория за това как сложните мозъчни функции възникват от активността на отделните клетки. Теорията предполага, че вълнообразните модели на мозъчна активност са изваяни от формата на самия мозък – гънките, браздите и контурите – а не от неговите взаимовръзки.

Невробиологът Кентарох Такагаки от университета Токушима в Япония, който не е участвал в проучването, казва, че резултатите на Гонг и колегите му също „представляват рязък контрапункт“ на колонната хипотеза за мозъка, която описва как кортексът е организиран в колони от неврони, които обработват информацията.

Записите на fMRI, използвани в проучването, обаче улавят само бавно движещи се вълни на мозъчната активност, така че са необходими повече изследвания, за да се види дали подобни модели се появяват при по-бързи трептения на мозъчните вълни и при сканиране с по-висока резолюция.