Когда по мозгу распространяется электрическая активность, она движется подобно ряби на поверхности пруда. Движение этих «мозговых волн», впервые обнаруженное в 1920-х годах, теперь можно наблюдать более чётко, чем когда-либо прежде, благодаря инструментам и методам, разработанным командой учёных из Стэнфорда.
Технология, описанная в журнале Cell, предполагает использование двух сверхчувствительных оптических приборов, которые могут улавливать сигналы генетически модифицированных белков, известных как «индикаторы напряжения», и определять активность мозговых волн у мышей. Несмотря на то, что исследование проводилось только на подопытных животных, оно уже продемонстрировало свой потенциал. С помощью этих приборов исследователи обнаружили три новых типа мозговых волн, которые двигались так, как никогда ранее не наблюдалось.
Мы получаем очень широкое представление о волнах, распространяющихся по мозгу», — сказал Марк Дж. Шнайцер, старший автор исследования и профессор биологии и прикладной физики в Школе гуманитарных и естественных наук Стэнфордского университета.
Мы можем одновременно исследовать несколько областей мозга и наблюдать за мозговыми волнами, распространяющимися по коре головного мозга — внешнему слою нервной ткани, — с учётом специфики клеток.
Марк Дж. Шнайцер, старший автор и профессор Стэнфордского университета
В отличие от электродов, которые используют электричество для регистрации отдельных участков мозговой активности, приборы, разработанные командой Шнитцера, используют оптику — технологию, основанную на свете, — для визуализации мозговых волн в режиме реального времени. Они также могут фокусироваться на волнах, связанных с одним или двумя определёнными типами нейронов.
Ученые пытаются понять природу мозговых волн с тех пор, как более века назад немецкий врач Ганс Бергер впервые зафиксировал их у человека с помощью электродов в ранней версии ЭЭГ (электроэнцефалографии).
Теперь исследователям известно, что отклонения в этих волнах связаны с различными заболеваниями, включая болезнь Паркинсона, болезнь Альцгеймера, эпилепсию и шизофрению. По-прежнему сложно определить, какие типы нейронов генерируют те или иные типы волн.
Эта новейшая разработка может помочь решить эту проблему. Она стала результатом более чем десятилетней работы над оптическими методами под названием TEMPO, о которых впервые было сообщено в статье 2016 года, написанной группой учёных, в которую входили Шнитцер, также являющийся профессором нейрохирургии в Медицинской школе Стэнфорда, и Майкл З. Лин, профессор нейробиологии и биоинженерии в Медицинской школе. Лин также является соавтором текущего исследования.
В этом исследовании учёные продемонстрировали использование двух новых инструментов TEMPO, которые дополняют друг друга: оптоволоконного датчика, который в десять раз чувствительнее предыдущих версий и может отслеживать электрическую активность мозга мышей во время их обычной деятельности, и оптического мезоскопа, который может создавать изображение мозга шириной 8 мм и отображать нейронную активность в большей части неокортекса мыши — слоя мозга, отвечающего за функции высокого уровня, такие как восприятие и познание.
С помощью этой технологии исследователи смогли увидеть несколько волн, которые ранее не были зарегистрированы, в том числе два типа бета-волн — высокочастотных волн, связанных с активной умственной деятельностью, — которые распространяются под прямым углом друг к другу.
Они также обнаружили тета-волны — низкочастотные волны, связанные с обработкой информации в памяти, — которые распространяются не только в одном направлении, как было известно ранее, но и в обратном.
Хотя пока неизвестно, на что может указывать эта новая направленная волна, одна из теорий заключается в том, что тета-волна может «возвращаться назад», подобно механизму обучения, используемому в моделях искусственного интеллекта.
«Похоже, что в мозге есть внутренние часы, которые синхронизируют нейронную активность, но эти бегущие волны также могут активно реорганизовывать нейронные цепи на больших расстояниях, а не только локальные связи, — сказал соавтор исследования Радослав Храпкевич, технический директор лаборатории Шнитцера. — Это может сыграть важную роль в создании новых моделей ИИ, вдохновлённых биологией».
Чтобы понять значение этих открытий, необходимо провести дополнительные исследования, но новая технология, скорее всего, откроет множество возможностей для нейробиологии и развития искусственного интеллекта.
«В области нейробиологии существует множество очень важных приложений для изучения патологий и различных процессов в мозге, — сказал научный сотрудник Саймон Хазиза, ведущий автор исследования. — Мы лишь поверхностно затронули эту тему».
Источник:
Стэнфордский университет
Ссылка на журнал:
Хазиза С., и др. (2025) Визуализация высокочастотной динамики напряжения в различных классах нейронов у млекопитающих в процессе поведения. Cell. doi.org
Чтобы написать отзыв нужно авторизоватся