Изучая мгновенные колебания сигналов функциональной магнитно-резонансной томографии (фМРТ) коры головного мозга человека, ученые из Сиднейского университета и Фуданьского университета обнаружили спиралевидные волны, распространяющиеся по всему внешнему слою нейронной ткани. Они считают, что эти «мозговые спирали» помогают организовать мозговую активность и когнитивную обработку информации. Их открытие может помочь в разработке машин, непосредственно вдохновленных человеческим мозгом.
Кора головного мозга — это самый внешний слой мозга и крупнейшее место интеграции нейронов в центральной нервной системе (она содержит от 14 до 16 миллиардов нейронов). Она играет ключевую роль во многих сложных когнитивных функциях, таких как внимание, восприятие, осознание, мышление, память, язык и сознание. Обнаруженные исследователями сигналы мозга распространяются по всей коре и являются повсеместными, как в состоянии покоя, так и во время выполнения когнитивных задач.
Большинство исследований в области неврологии сосредоточены на связях и взаимодействии между нейронами, чтобы понять, как работает мозг. Но все больше ученых изучают более широкие процессы в мозге в попытке разгадать его тайны. «Крупномасштабная активность человеческого мозга демонстрирует богатые и сложные паттерны, но пространственно-временная динамика этих паттернов и их функциональная роль в познании остаются неясными«, — объясняют исследователи в журнале .
«Мосты» для более быстрой обработки информации
Изучив снимки функциональной магнитно-резонансной томографии (фМРТ) мозга около ста молодых взрослых людей, команда впервые обнаружила эти странные мозговые спирали, которые распространялись по коре головного мозга. Они присутствовали в мозге всех участников исследования.
Их точную функцию еще предстоит выяснить, но, судя по всему, эти сигналы играют определенную роль в организации мозговой активности и когнитивной обработке. «Свойства этих мозговых спиралей, такие как направления и места их вращения, имеют отношение к выполнению задачи и могут быть использованы для классификации различных когнитивных задач«, — отмечают исследователи в своей работе.
Они отметили, что спирали мозга вращаются вокруг центральных точек, которые они назвали «центрами фазовой сингулярности», а сами центры распространяются по коре, создавая богатую пространственно-временную динамику. Они отмечают, что спирали могут перемещаться в коре головного мозга на расстояние до десяти сантиметров. Команда также сообщает, что распределение спиралей в левом и правом полушариях демонстрирует определенную степень симметрии; они заметили, что скопления спиралей с противоположными направлениями вращения, как правило, находятся в одних и тех же функциональных областях двух полушарий.
Оказалось, что спирали часто возникают на границах, разделяющих различные функциональные сети мозга. Такое расположение позволяет предположить, что они могут действовать как «коммуникационные мосты», эффективно связывая мозговую активность с различными регионами или сетями нейронов в мозге посредством своего вращательного движения. Некоторые из наблюдаемых спиралей были достаточно большими, чтобы охватить несколько сетей.
«Сложные взаимодействия между несколькими сосуществующими спиралями могут позволить нейронным вычислениям осуществляться распределенным и параллельным образом, что приведет к поразительной вычислительной эффективности«, — объясняет Пулин Гонг, доцент Школы физики факультета естественных наук Сиднейского университета и соавтор исследования.
К лучшему пониманию мозга и его патологий
Исследователи обнаружили, что эти взаимодействующие спирали головного мозга позволяют гибко изменять конфигурацию мозговой активности во время выполнения различных задач, связанных с обработкой естественного языка и рабочей памятью. Когда участников исследования просили выполнить определенные задачи (например, ответить на вопрос по математике или послушать рассказ), спирали меняли направление с часовой на против часовой стрелки в разных областях мозга. Это говорит о том, что они координируют деятельность мозга, меняя направление вращения. Их распределение также зависит от задачи.
Поскольку расположение и направление вращения спиралей мозга зависят от конкретной задачи, эти особенности могут быть использованы для надежной классификации различных этапов когнитивной обработки.
«Наше исследование показывает, что лучшее понимание того, как спирали связаны с когнитивной обработкой, может значительно улучшить наше понимание динамики и функций мозга«, — говорит профессор Гонг. Лучшее понимание фундаментальных функций мозга может в то же время помочь нам лучше определить последствия некоторых заболеваний, таких как деменция или церебральный паралич, которые непосредственно влияют на кору головного мозга.
Но это еще не все! Команда считает, что их открытие может способствовать развитию сложных компьютеров, непосредственно вдохновленных сложной работой человеческого мозга. Исследователи надеются, что их исследование подтолкнет других неврологов к более масштабному изучению явлений в мозге, чтобы получить более полное представление о том, как он работает.