Проста математика стимулює електричну активність у мозку, показує дослідження

Через величезну мережу нервових волокон електричні сигнали постійно проходять через мозок. Ця складна діяльність зрештою породжує наші думки, емоції та поведінку, а також, можливо, психічне здоров’я та неврологічні проблеми, коли щось йде не так .

Стимуляція мозку є новим методом лікування таких розладів. Стимуляція ділянки вашого мозку електричними або магнітними імпульсами запустить каскад сигналів через вашу мережу нервових зв’язків.

Однак на даний момент вчені не зовсім впевнені, як ці каскади впливають на діяльність вашого мозку в цілому – важлива відсутня частина, яка обмежує переваги терапії стимуляції мозку.

У нашому останньому дослідженні, опублікованому в Neuron , ми виявили, що поширення стимуляції мозку можна передбачити за допомогою математики мереж.

Відстеження електричних сигналів у мозку

Вивчати спілкування в людському мозку важко. Це пояснюється тим, що електричні сигнали переміщуються дуже швидко, в масштабі тисячних часток секунди, між однією частиною мозку та іншою.

Що ще складніше, сигнали передаються через неймовірно складну мережу нервових волокон, які з’єднують усі ділянки мозку. Ці проблеми ускладнюють вченим навіть спостереження за сигналами, що проходять через мозок.

Однак за дуже особливих і контрольованих обставин ми можемо використовувати інвазивні електроди для точного відстеження поширення сигналів мозку. Інвазивні електроди — це інструменти, які хірургічним шляхом вставляються в мозок пацієнтів, які погоджуються.

Важливо підкреслити, що цей тип інвазивної процедури можна проводити лише в дуже особливих обставинах, коли основною метою є допомогти пацієнтам. У нашому випадку пацієнтами були люди з важкою формою епілепсії. Якщо пацієнти з епілепсією не реагують на ліки, вони можуть використовувати електроди, щоб допомогти лікарям дізнатися більше про те, що може відбуватися в їхньому мозку.

Наше дослідження базувалося на великій групі з 550 пацієнтів-добровольців з епілепсією в більш ніж 20 лікарнях у Північній Америці, Азії та Європі.

Електроди дозволяють м’яко стимулювати ділянку мозку електричним імпульсом і водночас записувати мозкову активність пацієнта. Ми використовували дані з електродів, розміщених у різних положеннях мозку, щоб відстежувати передачу електричних імпульсів від однієї області до іншої.

В якості останнього інгредієнта нашого дослідження ми використали сканування МРТ , щоб реконструювати мережу нервових волокон людського мозку, відому як коннектом . Це дало нам модель фізичної проводки, через яку електричні сигнали передаються в мозок.

Математика мережевих комунікацій

Отже, як сигнали передаються через складну проводку коннектома?

Проста можливість полягає в тому, що сигнали проходять найпрямішими шляхами в коннектомі. У термінах мережі це означало б, що електричний імпульс йде від однієї області до іншої найкоротшим шляхом проміжних областей між ними.

Інша ідея полягає в тому, що сигнали поширюються через мережеву дифузію . Щоб зрозуміти це, подумайте про те, як вода тече мережею труб.

Кожного разу, коли вода досягає місця з’єднання в мережі, потік розбивається на розбіжності. Більше перехресть уздовж шляху води означає більше розколів, і потік уздовж будь-якого шляху стає слабшим.

Однак, якщо деякі з розбіжних шляхів знову зустрічаються вниз за течією, сила потоку знову зростає. У цій аналогії всі з’єднання (труби) у мережі сприяють формуванню потоку сигналу (води), а не лише ті, що знаходяться вздовж самого прямого шляху.

Що ми знайшли

Ці два типи мережевого зв’язку – найкоротші шляхи проти дифузного потоку – є двома конкуруючими гіпотезами , які пояснюють, як електричні сигнали каскадують через проводку коннектома після стимуляції мозку. Сьогодні вчені не впевнені, яка гіпотеза найкраще відповідає тому, що відбувається в мозку.

Наше дослідження є одним із перших, яке намагається вирішити цю дискусію. Для цього ми запитали, чи найкоротші шляхи чи дифузія найкраще передбачають поширення електричного сигналу, виміряного електродами в мозку пацієнтів.

Проаналізувавши дані, ми знайшли докази, що підтверджують гіпотезу дифузійного потоку. Це означає, що набагато більше нервових зв’язків – порівняно з тими, що рухаються найкоротшими шляхами – формують те, як стимуляція мозку каскадує вниз по коннектому.

Це важлива інформація для вчених, оскільки вона допомагає нам зрозуміти, як фізична проводка нервових зв’язків сприяє діяльності та функціонуванню мозку.

Що далі?

Наше дослідження є одним із перших у своєму роді, і для підтвердження того, що ми знайшли, потрібна додаткова робота. Ми сподіваємося, що прогрес у нашому розумінні комунікації мозку також допоможе вченим-клінікам розробити кращі методи стимуляції мозку для вирішення проблем психічного здоров’я.

Стимуляція мозку може допомогти «відновити» несправну комунікацію між областями мозку. Наприклад, неінвазивна стимуляція (виконується поза черепом і без необхідності хірургічного втручання) є лікуванням великого депресивного розладу, доступним в Австралії .

У наших майбутніх дослідженнях ми дослідимо, чи можна використати відкриття, про які тут повідомляється, для покращення терапевтичних переваг таких методів стимуляції мозку.