В эпохальном исследовании учёные обнаружили, что точное время электрической активности мозга определяет, насколько хорошо мы воспринимаем окружающий мир. Это новое знание может иметь огромное значение для понимания и лечения нарушений концентрации, внимания и памяти при болезни Альцгеймера и синдроме дефицита внимания и гиперактивности (СДВГ).
Исследователи из Бременского университета продемонстрировали, как уникальный путь, по которому сенсорные сигналы передаются в виде сигналов на волнах гамма-ритмов в наш центр обработки информации, отвечает за нашу способность сосредотачиваться на чем-то одном и блокировать все остальные помехи на своем пути.
«В обстановке, полной голосов, музыки и фонового шума, мозгу удаётся сосредоточиться на одном голосе», — говорит исследователь мозга доктор Эрик Дребиц из Бременского университета. «Другие шумы объективно не тише, но воспринимаются слабее в этот момент».
Нейробиологи давно ломают голову над тем, как мозг прорезает шум суетливого мира, чтобы сосредоточиться на том, что действительно важно. Новое исследование раскрывает эту тайну, показывая, что секрет кроется не только в интенсивности возбуждения нейронов, но и в моменте их активации. Именно точная синхронизация электрической активности, привязанная к естественным гамма-ритмам мозга, определяет, будет ли информация плавно передаваться из одной области мозга в другую или искажается по пути. Это открытие может помочь объяснить, почему внимание ослабевает при таких состояниях, как СДВГ, шизофрения и болезнь Альцгеймера, — при всех этих состояниях наблюдается нарушение гамма-активности.
«До сих пор было неясно, как управляется этот критически важный для выживания механизм отбора релевантной информации», — сказал Дребиц. «Когда вы переходите улицу, и сбоку внезапно появляется машина, мозг немедленно фокусируется на обработке одного визуального сигнала — движения автомобиля. Другие впечатления, такие как знаки, прохожие или рекламные щиты, отходят на второй план, отвлекая наше внимание и замедляя реакцию. Только благодаря этой целенаправленной расстановке приоритетов мы можем быстро реагировать и предпринимать уклончивые действия».
Проще говоря, группы нейронов часто синхронизируют свою активность в ритмических паттернах. Гамма-ритмы, которые колеблются с частотой от 30 до 90 раз в секунду, считаются особенно важными для связи различных участков мозга, отвечающих за восприятие, внимание и память. Ранее исследования показали, что синхронизация гамма-волн между областями мозга улучшает коммуникацию, но до сих пор не было ясно, является ли эта синхронность движущей силой «целевой расстановки приоритетов» или же она является просто побочным продуктом других изменений.
Чтобы лучше изолировать эту функцию, исследователи регистрировали активность мозга макак во время выполнения ими задания на зрительное внимание. Зрительная информация проходит через ряд контрольных точек мозга, известных как области V1, V2, V3 и V4, при этом каждая стадия обрабатывает более сложные объекты. В данном случае команда сосредоточилась на области V2, которая обрабатывает базовые объекты, такие как края и текстуры, и области V4, которая обрабатывает более сложные аспекты форм и объектов.
Используя микростимуляцию для создания искусственных всплесков активности в зоне V2, исследователи синхронизировали эти всплески с гамма-ритмами в зоне V4. По сути, они хотели выяснить, будет ли сигнал, синхронизированный с ритмом, более эффективным для быстрой обработки информации в мозге, чем сигналы, несинхронизированные. Стимуляция в зоне V4 во время рецептивной фазы гамма-цикла изменяла нейронную активность и поведение; если же стимуляция поступала слишком рано или слишком поздно, эффект исчезал, что свидетельствует о том, что гамма-фаза не просто связана с потоком информации, но и контролирует его.
«Искусственно вызванные сигналы влияли на активность нервных клеток в зоне V4 только тогда, когда они поступали во время короткой фазы повышенной восприимчивости», — сказал Дребиц. «Если тот же сигнал поступал слишком рано или слишком поздно, он не оказывал никакого эффекта. Если же он поступал в пределах чувствительного временного окна, он изменял не только активность нервных клеток, но и поведение животных: они реагировали медленнее и совершали больше ошибок, из чего можно сделать вывод, что тестовый сигнал, не содержащий никакой информации для выполнения задания, стал частью обработки и, таким образом, мешал выполнению самого задания».
«Дальнейшая обработка сигнала в мозге критически зависит от того, поступает ли он в нужный момент – во время короткой фазы повышенной восприимчивости нервных клеток», – добавил он. «Нервные клетки работают не непрерывно, а быстрыми циклами. Они особенно активны и восприимчивы в течение нескольких миллисекунд, за которыми следует период более низкой активности и возбудимости. Этот цикл повторяется примерно каждые 10–20 миллисекунд. Только когда сигнал поступает незадолго до пика этой активной фазы, он меняет поведение нейронов».
По сути, вместо того, чтобы равномерно усиливать все сигналы, мозг использует свой гамма-ритм в качестве временного шлюза. Сигналы, поступающие синхронно с ритмом, усиливаются, а те, что поступают не вовремя, ослабляются или игнорируются. Именно этот механизм синхронизации позволяет мозгу различать голос в шумной комнате или фокусироваться на одном объекте. При нарушении гамма-ритмов, как это наблюдается при СДВГ, шизофрении и болезни Альцгеймера, сигналы могут поступать несинхронно и не проходить точно, что приводит к ухудшению внимания и памяти.
У пациентов с СДВГ плохая синхронизация гамма-излучения может приводить к дефициту внимания, затрудняя подавление отвлекающих факторов. В 2016 году прорывное исследование показало, что воздействие на мышей с моделью болезни Альцгеймера мерцающего света с частотой 40 Гц (также известного как гамма-волны) (позже в сочетании со звуками) уменьшало количество амилоидных бляшек и активировало иммунные клетки, которые помогают выводить токсичные белки. Учёные продолжают разрабатывать методы стимуляции мерцанием света, чтобы вызывать колебания гамма-волн у пациентов с болезнью Альцгеймера. Мы уже освещали некоторые из этих разработок за эти годы.
В целом, эти новые данные демонстрируют, что эффективное когнитивное мышление во многом зависит от точного времени. Ритмы мозга задают ритм, и информация поступает лучше всего, когда сигналы совпадают с пиковой активностью нервных клеток. Это открытие открывает путь к разработке новых методов улучшения внимания и памяти, а также к созданию технологии интерфейса «мозг-компьютер», которая улучшает избирательную обработку и хранение информации.
«Результаты создают основу для разработки более точных моделей мозга», — сказал Дребиц. «Они показывают, как информация отбирается и расставляет приоритеты, прежде чем она приводит к восприятию, обучению и поведению».
Исследование опубликовано в журнале Nature Communications .
