Ljudski mozak ima mnogo slojeva. Od njegove naborane spoljašnjosti do najmračnijih dubina, naučnici pokušavaju da ih sve razumeju. Ali u usavršavanju zamršenih neuronskih kola mozga, izgleda da su prevideli obrasce aktivnosti koje se kovitlaju na površini.
Tim fizičara fluida sa Univerziteta u Sidneju u Australiji i Univerziteta Fudan u Kini otkrio je moždane signale koji talasaju preko najudaljenijeg sloja nervnog tkiva mozga, cerebralnog korteksa, na skeniranju mozga 100 mladih odraslih osoba. Signali su prirodno raspoređeni u obliku spirala, poput vrtloga u kadi za odvodnjavanje ili vrtloga turbulentnog vazduha.
„Sticanje uvida u to kako su spirale povezane sa kognitivnom obradom moglo bi značajno poboljšati naše razumevanje dinamike i funkcija mozga“, kaže stariji autor Pulin Gong, fizičar sa Univerziteta u Sidneju.
Korteks je naborani spoljašnji sloj neurona gustog tkiva koji se savija u dve hemisfere našeg mozga, odgovoran za računanje složenih kognitivnih funkcija kao što su jezik i skladištenje sećanja.
Neuronaučnici su se uglavnom fokusirali na mapiranje moždane aktivnosti odozdo prema gore kako bi razumeli unutrašnje funkcionisanje regiona kao što je korteks: slike ćelija da bi se utvrdilo kako one komuniciraju kao mreže koje dovode do njihove funkcije.
U uzbudljivom preokretu, tim je analizirao podatke o snimanju mozga prikupljene u okviru projekta Human Connectome koristeći metode koje su najpoznatije fizičarima fluida koji proučavaju složene obrasce talasa u turbulentnim tokovima.
Funkcionalna magnetna rezonanca proizvodi slikovne podatke koji pokazuju kada i gde mozak ‘zasvetli’ u naletu aktivnosti, preplavljen oksigeniranom krvlju. Spiralni obrasci identifikovani u podacima podsećaju na kaleidoskopske talase ili, kada se pojednostave u usmerene vrtloge, kružne linije pritiska na vremenskoj mapi.
„Ovi spiralni obrasci pokazuju zamršenu i složenu dinamiku, krećući se po površini mozga dok se rotiraju oko centralnih tačaka poznatih kao fazne singularnosti“, objašnjava Gong.
„Slično kao što vrtlozi deluju u turbulenciji, spirale se upuštaju u zamršene interakcije, igrajući ključnu ulogu u organizovanju složenih aktivnosti mozga“, pretpostavlja on.
Ritmični, spiralni talasi su ranije otkriveni u neuronskim krugovima, krećući se kroz lokalne regije mozga koje upravljaju senzornim inputima kao što su vizuelni, slušni i somatosenzorni korteks.
Ovi putujući talasi su dovoljno intrigantni na ćelijskom nivou, posebno kada se uzme u obzir kako su turbulentni vrtlozi primećeni i drugde u telu i prirodi: u suspenzijama plivajućih bakterija, biohemijskoj signalizaciji srca i u membranama živih ćelija.
Ali kako talasi nalik vrtlogu mogu da se materijalizuju u cerebralnom korteksu kao celini, do sada nije istraženo, ostavljajući prazninu u razumevanju kako funkcije mozga u svakom od regiona mogu biti povezane.
Činilo se da spiralni talasi obuhvataju višestruke mreže međusobno povezanih ćelija i nalaze se na preciznim anatomskim lokacijama, što sugeriše da mogu igrati određenu ulogu u koordinaciji moždane aktivnosti.
Ova radna teorija je testirana dodatnim analizama, otkrivajući da su moždane spirale promenile pravac da bi promenile moždanu aktivnost tokom obrade jezika i zadataka radne memorije kao što su slušanje priča i odgovaranje na matematičke zadatke.
„Jedna ključna karakteristika ovih moždanih spirala je da se često pojavljuju na granicama koje razdvajaju različite funkcionalne mreže u mozgu“, objašnjava student fizike Univerziteta u Sidneju Jiben Ksu.
Na tim lokacijama, istraživači misle da rotirajuće spirale mogu da deluju kao kapija, puštajući moždanu aktivnost da teče kroz drugu regiju kada su okreti suprotni, ili kao zid, koji ga blokira kada se okreću u istom pravcu.
„Kroz svoje rotaciono kretanje, oni efikasno koordiniraju tok aktivnosti između ovih mreža“, sugeriše Ksu.
Nalazi se uklapaju u alternativnu teoriju o tome kako složene moždane funkcije nastaju iz aktivnosti pojedinačnih ćelija koje pucaju. Teorija sugeriše da su talasasti obrasci moždane aktivnosti oblikovani oblikom samog mozga – naborima, žlebovima i konturama – a ne njegovim međusobnim vezama.
Neurobiolog Kentaroh Takagaki sa Univerziteta Tokušima u Japanu, koji nije bio uključen u rad, kaže da rezultati Gonga i njegovih kolega takođe „predstavljaju oštar kontrapunkt“ stubnoj hipotezi mozga, koja opisuje kako je korteks organizovan u kolone neurona koji obrađivati informacije u blokovima.
Međutim, fMRI snimci korišćeni u studiji uhvatili su samo spore talase moždane aktivnosti, tako da je potrebno više istraživanja da bi se videlo da li se slični obrasci pojavljuju u bržim oscilacijama moždanih talasa i na skeniranjima veće rezolucije.
„Razkrivanjem misterija moždane aktivnosti i otkrivanjem mehanizama koji upravljaju njegovom koordinacijom, približavamo se otključavanju punog potencijala razumevanja kognicije i funkcije mozga“, kaže Gong.
