U celom moždanom korteksu, neuroni su raspoređeni u šest karakterističnih slojeva, koji se lako mogu videti pod mikroskopom. Tim neuronaučnika sa MIT-a je sada otkrio da ovi slojevi takođe pokazuju različite obrasce električne aktivnosti, koji su konzistentni u mnogim regionima mozga i u nekoliko životinjskih vrsta, uključujući ljude.
Istraživači su otkrili da u najvišim slojevima, aktivnošću neurona dominiraju brze oscilacije poznate kao gama talasi. U dubljim slojevima preovlađuju sporije oscilacije koje se nazivaju alfa i beta talasi. Univerzalnost ovih obrazaca sugeriše da ove oscilacije verovatno igraju važnu ulogu u mozgu, kažu istraživači.
Rad je objavljen u Nature Neuroscience.
„Kada vidite nešto što je dosledno i sveprisutno širom korteksa, to igra veoma fundamentalnu ulogu u onome što korteks radi“, kaže Erl Miler, profesor neuronauke Picover, član MIT-ovog Picover instituta za učenje i pamćenje, i jedan od viši autori nove studije.
Neravnoteže u načinu na koji ove oscilacije međusobno deluju mogu biti uključene u poremećaje mozga kao što je poremećaj hiperaktivnosti deficita pažnje, kažu istraživači.
„Poznato je da preterano sinhrona neuronska aktivnost igra ulogu u epilepsiji, a sada sumnjamo da različite patologije sinhronizacije mogu doprineti mnogim poremećajima mozga, uključujući poremećaje percepcije, pažnje, pamćenja i kontrole motora. U orkestru je svirao jedan instrument. neusklađenost sa ostalim može poremetiti koherentnost čitavog muzičkog dela“, kaže Robert Desimone, direktor MIT-ovog McGovern instituta za istraživanje mozga i jedan od starijih autora studije.
Andre Bastos, docent psihologije na Univerzitetu Vanderbilt, takođe je viši autor rada. Glavni autori su naučnik sa MIT-a Dijego Mendoza-Halidej i postdoc MIT Aleks Mejdžor.
Ljudski mozak sadrži milijarde neurona, od kojih svaki ima svoje električne obrasce. Zajedno, grupe neurona sa sličnim obrascima generišu oscilacije električne aktivnosti, ili moždane talase, koji mogu imati različite frekvencije. Milerova laboratorija je ranije pokazala da su visokofrekventni gama ritmovi povezani sa kodiranjem i preuzimanjem senzornih informacija, dok beta ritmovi niske frekvencije deluju kao kontrolni mehanizam koji određuje koje informacije se čitaju iz radne memorije.
Njegova laboratorija je takođe otkrila da u određenim delovima prefrontalnog korteksa različiti slojevi mozga pokazuju karakteristične obrasce oscilovanja: brže oscilacije na površini i sporije oscilacije u dubokim slojevima. Jedna studija, koju je vodio Bastos dok je bio postdoktor u Milerovoj laboratoriji, pokazala je da dok životinje obavljaju zadatke radne memorije, ritmovi niže frekvencije generisani u dubljim slojevima regulišu visokofrekventne gama ritmove generisane u površinskim slojevima.
Pored radne memorije, moždani korteks je takođe sedište misli, planiranja i obrade emocija i senzornih informacija na visokom nivou. U regionima uključenim u ove funkcije, neuroni su raspoređeni u šest slojeva, a svaki sloj ima svoju karakterističnu kombinaciju tipova ćelija i veza sa drugim oblastima mozga.
„Korteks je anatomski organizovan u šest slojeva, bez obzira da li gledate miševe ili ljude ili bilo koju vrstu sisara, a ovaj obrazac je prisutan u svim kortikalnim oblastima unutar svake vrste“, kaže Mendoza-Halidej. „Nažalost, mnoge studije moždane aktivnosti ignorišu te slojeve jer kada snimate aktivnost neurona, bilo je teško razumeti gde se oni nalaze u kontekstu tih slojeva.“
U novom radu, istraživači su želeli da istraže da li je slojeviti obrazac oscilovanja koji su videli u prefrontalnom korteksu rasprostranjeniji, koji se javlja u različitim delovima korteksa i među vrstama.
Koristeći kombinaciju podataka dobijenih u Millerovoj laboratoriji, Desimoneovoj laboratoriji i laboratorijama saradnika u Vanderbiltu, Holandskom institutu za neuronauku i Univerzitetu Zapadni Ontario, istraživači su bili u mogućnosti da analiziraju 14 različitih područja korteksa, od četiri vrste sisara. . Ovi podaci su uključivali snimke električne aktivnosti tri ljudska pacijenta kojima su elektrode umetnute u mozak kao deo hirurške procedure kojoj su bili podvrgnuti.
Snimanje iz pojedinačnih kortikalnih slojeva u prošlosti je bilo teško, jer je svaki sloj debeo manji od milimetra, pa je teško znati sa kog sloja elektroda snima. Za ovu studiju, električna aktivnost je zabeležena korišćenjem specijalnih elektroda koje snimaju iz svih slojeva odjednom, a zatim unose podatke u novi računski algoritam koji su autori dizajnirali, nazvan FLIP (procedura identifikacije sloja zasnovana na frekvenciji). Ovaj algoritam može odrediti iz kog sloja dolazi svaki signal.
„Novija tehnologija omogućava snimanje svih slojeva korteksa istovremeno. Ovo oslikava širu perspektivu mikrokola i omogućava nam da posmatramo ovaj slojevit obrazac“, kaže Major. „Ovaj rad je uzbudljiv jer je istovremeno informativan o osnovnom šablonu mikrokola i pruža robusnu novu tehniku za proučavanje mozga. Nije važno da li mozak obavlja zadatak ili miruje i može se posmatrati za samo pet do 10 sekundi.“
U svim vrstama, u svakom proučavanom regionu, istraživači su pronašli isti slojeviti obrazac aktivnosti.
„Napravili smo masovnu analizu svih podataka da vidimo da li možemo da pronađemo isti obrazac u svim oblastima korteksa, i voila, bio je svuda. To je bio pravi pokazatelj da je ono što je ranije viđeno u nekoliko oblasti bilo predstavlja fundamentalni mehanizam preko korteksa“, kaže Mendoza-Halidej.
Nalazi podržavaju model koji je Milerova laboratorija prethodno iznela, a koji predlaže da prostorna organizacija mozga pomaže da ugradi nove informacije, koje nose visokofrekventne oscilacije, u postojeća sećanja i moždane procese, koji se održavaju niskofrekventnim oscilacijama. . Kako informacije prolaze od sloja do sloja, unos se može uključiti po potrebi kako bi se pomoglo mozgu da izvrši određene zadatke kao što je pečenje novog recepta za kolačiće ili pamćenje broja telefona.
„Posledica laminarnog odvajanja ovih frekvencija, kao što smo primetili, može biti omogućavanje površinskim slojevima da predstavljaju spoljašnje senzorne informacije sa bržim frekvencijama, a dubokim slojevima da predstavljaju unutrašnja kognitivna stanja sa sporijim frekvencijama“, kaže Bastos. „Implikacija visokog nivoa je da korteks ima više mehanizama koji uključuju i anatomiju i oscilacije da odvoje ‘spoljašnje’ od ‘unutrašnje’ informacije.“
Prema ovoj teoriji, neravnoteža između visoko- i niskofrekventnih oscilacija može dovesti do deficita pažnje kao što je ADHD, kada dominiraju više frekvencije i uđe previše senzornih informacija, ili do zabludnih poremećaja kao što je šizofrenija, kada su oscilacije niske frekvencije previše snažne i nedovoljno senzorne informacije ulaze.
„Odgovarajući balans između kontrolnih signala odozgo nadole i senzornih signala odozdo prema gore je važan za sve što korteks radi“, kaže Miler. „Kada se ravnoteža pokvari, dobijate širok spektar neuropsihijatrijskih poremećaja.“
Istraživači sada istražuju da li bi merenje ovih oscilacija moglo pomoći u dijagnostikovanju ovih vrsta poremećaja. Oni takođe istražuju da li bi rebalans oscilacija mogao da promeni ponašanje – pristup koji bi se jednog dana mogao koristiti za lečenje deficita pažnje ili drugih neuroloških poremećaja, kažu istraživači.
Istraživači se takođe nadaju da će raditi sa drugim laboratorijama kako bi detaljnije okarakterisali slojevite šeme oscilacija u različitim regionima mozga.
„Nadamo se da ćemo sa dovoljno tog standardizovanog izveštavanja početi da vidimo zajedničke obrasce aktivnosti u različitim oblastima ili funkcijama koje bi mogle otkriti zajednički mehanizam za računanje koji se može koristiti za motorne izlaze, za vid, za pamćenje i pažnju, i tako dalje“, kaže Mendoza-Halidej.
