Людський мозок має багато шарів. Від його зморшкуватої зовнішньої поверхні до найтемніших глибин, вчені намагаються зрозуміти їх усі. Але, відточуючи складну нейронну схему мозку, вони, схоже, не помічають патернів активності, що вирують на поверхні.
Команда фізиків-гідрофізиків із Сіднейського університету в Австралії та Університету Фудань у Китаї, досліджуючи мозок 100 молодих людей, виявила мозкові сигнали, що пульсують у зовнішньому шарі нейронної тканини мозку – корі головного мозку. Сигнали природно розташовані у вигляді спіралей, як вихори у зливній ванні або вихори турбулентного повітря.
“Розуміння того, як спіралі пов’язані з когнітивною обробкою, може значно покращити наше розуміння динаміки і функцій мозку”, – говорить старший автор дослідження Пулін Гонг, фізик з Університету Сіднея.
Кора – це зморшкуватий зовнішній шар щільної нейронної тканини, що складається у дві півкулі нашого мозку, відповідальний за обчислення складних когнітивних функцій, таких як мова та зберігання спогадів.
Нейробіологи здебільшого зосереджені на картографуванні активності мозку знизу вгору, щоб зрозуміти внутрішню роботу таких ділянок, як кора: візуалізація клітин, щоб визначити, як вони взаємодіють як мережі, що зумовлюють їхню функцію.
Цікаво, що команда проаналізувала дані візуалізації мозку, зібрані в рамках проєкту Human Connectome, використовуючи методи, найбільш знайомі фізикам, які вивчають складні хвильові патерни в турбулентних потоках.
Функціональні МРТ-сканування створюють дані зображень, які показують, коли і де мозок “спалахує” у сплеску активності, наповнюючись кров’ю, насиченою киснем. Спіралеподібні патерни, виявлені в даних, нагадують калейдоскопічні хвилі або, якщо спростити їх до спрямованих вихорів, кругові лінії тиску на метеорологічній карті.
“Ці спіральні патерни демонструють складну динаміку, рухаючись по поверхні мозку, обертаючись навколо центральних точок, відомих як фазові сингулярності”, – пояснює Гонг.
“Подібно до того, як вихори діють у турбулентності, спіралі беруть участь у складних взаємодіях, відіграючи вирішальну роль в організації складної діяльності мозку”, – припускає він.
Ритмічні спіралеподібні хвилі були виявлені раніше в нейронних ланцюгах, що рухаються через локальні ділянки мозку, які обробляють сенсорні входи, такі як зорова, слухова та соматосенсорна кора.
Ці мандрівні хвилі досить інтригуючі на клітинному рівні, особливо якщо врахувати, що турбулентні вихори також спостерігалися в інших частинах тіла і в природі: в суспензіях плаваючих бактерій, біохімічних сигналах серця і в мембранах живих клітин.
Але як вихороподібні хвилі можуть матеріалізуватися в корі головного мозку в цілому, до цього часу не було досліджено, що залишало прогалину в розумінні того, як функції мозку в кожній з областей можуть бути пов’язані між собою.
Спіралеподібні хвилі, як виявилося, охоплювали численні мережі взаємопов’язаних клітин і розташовувалися в точних анатомічних місцях, що дозволяє припустити, що вони можуть відігравати певну роль у координації мозкової активності.
Ця робоча теорія була перевірена додатковими аналізами, які показали, що спіралі мозку змінюють напрямок, щоб перенастроювати мозкову активність під час обробки мови і завдань робочої пам’яті, таких як прослуховування історій і відповіді на математичні задачі.
“Однією з ключових характеристик цих мозкових спіралей є те, що вони часто виникають на кордонах, які розділяють різні функціональні мережі мозку”, – пояснює аспірантка фізики Сіднейського університету Ібен Сюй (Yiben Xu).
Дослідники вважають, що в цих місцях спіралі, які обертаються, можуть діяти як ворота, пропускаючи мозкову активність в іншу область, коли спіралі обертаються в протилежних напрямках, або як стіна, що блокує її, коли вони обертаються в одному напрямку.
“Завдяки своєму обертальному руху вони ефективно координують потік активності між цими мережами”, – припускає Сюй.
Ці висновки відповідають альтернативній теорії про те, як складні функції мозку виникають з активності окремих клітин, що вистрілюють у різні боки. Теорія припускає, що хвилеподібні патерни мозкової активності формуються формою самого мозку – складками, борознами і контурами, а не його взаємозв’язками.
Нейробіолог Кентаро Такагакі з Університету Токусіми в Японії, який не брав участі в роботі, каже, що результати Ґонґа та його колег також “представляють різкий контрапункт” стовпчастій гіпотезі мозку, яка описує, як кора мозку організована в колони нейронів, що обробляють інформацію блоками.
Однак записи фМРТ, використані в дослідженні, зафіксували лише повільні хвилі мозкової активності, тому потрібні додаткові дослідження, щоб побачити, чи виявляються подібні закономірності в більш швидких коливаннях мозкових хвиль і при скануванні з вищою роздільною здатністю.
“Розгадуючи таємниці мозкової активності та розкриваючи механізми, що керують її координацією, ми наближаємося до розкриття повного потенціалу розуміння пізнання та роботи мозку”, – каже Гонг.
Дослідження було опубліковане в журналі Nature Human Behaviour..
