Взаимодействие мозговых волн — ключ к тому, как мозг обрабатывает информацию

В течение многих лет мозг считался биологическим компьютером, который обрабатывает информацию по традиционным схемам, в результате чего данные передаются прямо из одной клетки в другую. Хотя эта модель по-прежнему точна, новое исследование показывает, что существует и второй, совершенно другой способ анализа информации мозгом: посредством взаимодействия волн нейронной активности. Результаты, опубликованные в журнале Science Advances, помогают исследователям лучше понять, как мозг обрабатывает информацию.

«Теперь у нас есть новое понимание того, как работает вычислительный механизм мозга», — говорят ученые. «Модель помогает объяснить, как может измениться основное состояние мозга, влияя на внимание людей, концентрацию или способность обрабатывать информацию».

Исследователям давно известно, что волны электрической активности существуют в мозгу как во время сна, так и во время бодрствования. Но лежащие в основе теории того, как мозг обрабатывает информацию — особенно сенсорную информацию , такую ​​как вид света или звук колокола, — вращались вокруг информации, обнаруживаемой специализированными клетками мозга, а затем перемещающейся от одного нейрона к другому подобно реле.

Однако эта традиционная модель мозга не могла объяснить, как одна и та же сенсорная клетка может так по-разному реагировать на одно и то же в разных условиях. Клетка, например, может активироваться в ответ на быструю вспышку света, когда животное особенно насторожено, но останется неактивной в ответ на тот же свет, если внимание животного будет сосредоточено на чем-то другом.

Ученые уподобляют новое понимание корпускулярно-волновому дуализму в физике и химии — идее о том, что свет и материя обладают свойствами как частиц, так и волн. В некоторых ситуациях свет ведет себя так, как если бы он был частицей (также известной как фотон).

В других ситуациях он ведет себя как волна. Частицы ограничены определенным местом, а волны распространяются по многим местам. Оба взгляда на свет необходимы для объяснения его сложного поведения.

«Традиционный взгляд на функцию мозга описывает мозговую деятельность как взаимодействие нейронов. Поскольку каждый нейрон привязан к определенному месту, этот взгляд сродни описанию света как частицы», — говорят ученые. «Мы обнаружили, что в некоторых ситуациях активность мозга лучше описывать как взаимодействие волн, что аналогично описанию света как волны. Для понимания мозга необходимы оба взгляда».

Некоторые свойства сенсорных клеток, наблюдавшиеся в прошлом, было нелегко объяснить, учитывая подход «частиц» к мозгу. В новом исследовании команда наблюдала за активностью 139 нейронов на животной модели , чтобы лучше понять, как клетки координируют свою реакцию на визуальную информацию. В сотрудничестве с физиком Сергеем Савельевым из Университета Лафборо они создали математическую основу для интерпретации активности нейронов и предсказания новых явлений.

Они обнаружили, что лучший способ объяснить, как ведут себя нейроны, — это взаимодействие микроскопических волн активности, а не взаимодействие отдельных нейронов. Вместо того, чтобы вспышка света активировала специализированные сенсорные клетки, исследователи показали, как она создает распределенные паттерны: волны активности во многих соседних клетках с чередующимися пиками и впадинами активации — подобно океанским волнам.

Когда эти волны одновременно генерируются в разных местах мозга, они неизбежно врезаются друг в друга. Если встречаются два пика активности, они генерируют еще более высокую активность, а если впадина низкой активности встречается с пиком, это может нейтрализовать его. Этот процесс называется интерференцией волн.

«Когда вы находитесь в мире, есть много, много входных данных, и поэтому генерируются все эти разные волны. Чистая реакция мозга на окружающий мир связана с тем, как взаимодействуют все эти волны» — говорят исследователи.

Чтобы проверить свою математическую модель того, как нейронные волны возникают в мозгу, команда разработала сопутствующий визуальный эксперимент.

Двух человек попросили обнаружить тонкую слабую линию («зонд»), расположенную на экране и окруженную другими световыми узорами. Исследователи обнаружили, что то, насколько хорошо люди выполняли эту задачу, зависело от того, где находился зонд. Способность обнаруживать зонд повышалась в одних местах и ​​снижалась в других, образуя пространственную волну, предсказанную моделью.

«Ваша способность видеть этот зонд в любом месте будет зависеть от того, как нервные волны накладываются в этом месте. И теперь мы предложили, как мозг опосредует это».

Открытие того, как взаимодействуют нейронные волны, имеет гораздо более далеко идущие последствия, чем объяснение этой оптической иллюзии.

Исследователи предполагают, что одни и те же волны генерируются и взаимодействуют друг с другом в каждой части коры головного мозга, а не только в той части, которая отвечает за анализ визуальной информации.

Это означает, что волны, генерируемые самим мозгом, тонкими сигналами в окружающей среде или внутренним настроением, могут изменить волны, генерируемые сенсорными входами.

Ученые говорят, что это может объяснить, как реакция мозга на что-то может меняться изо дня в день.

Исследование было опубликовано в журнале Science Advances.