В мозге во время сна идут сложнейшие процессы, — говорит нейробиолог Каролина Армонайте из Каунасского технологического университета.

Она объясняет, что если мы точно поймем, что происходит в разных участках коры мозга, когда мы спим, это поможет лучше диагностировать и расстройства сна, и серьезные неврологические заболевания.

Вот как это работает: например, при шизофрении нарушается синхронность работы разных зон мозга. А болезнь Альцгеймера может начинаться с едва заметных изменений в одном из участков коры еще до появления первых симптомов. Именно поэтому так важно исследовать и различать функциональные зоны коры, над чем Армонайте и работала во время своей докторской диссертации в Италии.

Подробности опубликованы в издании Physica.

Мозг неоднороден. Разные его области ведут себя по-разному, когда мы бодрствуем, спим или переходим из одного состояния в другое. Ученый поставила перед собой задачу: можно ли определить участки коры, основываясь только на их электрической активности, когда нет никаких внешних раздражителей и человек находится в разных стадиях сна. Понимание того, как работает мозг даже в состоянии покоя, — ключ к диагностике и профилактике многих заболеваний.

Картирование коры мозга — это мост между чистой наукой и клинической практикой. Еще в начале XX века немецкий нейробиолог Корбиниан Бродман выделил 52 отдельных участка коры, которые до сих пор используются врачами и учеными. Разделение коры на зоны позволяет связать конкретные области с конкретными функциями: зрением, речью, движением или долговременной памятью. Зная это, мы можем понять, как различные неврологические расстройства влияют на эти функции.

• Болезнь Паркинсона связана с дегенерацией глубинных структур мозга, отвечающих за контроль движения. Повреждение этой области приводит к тремору и замедленности движений.
• Эпилепсия: точное определение очага припадков позволяет хирургам точечно удалить проблемный участок, оценив все возможные риски и последствия для пациента.

Кроме того, такое разделение критически важно для построения моделей мозговой активности, изучения влияния психических заболеваний и даже для разработки интерфейсов «мозг-компьютер».

В своем исследовании Армонайте анализировала уникальные данные — внутримозговые, или интракраниальные, электроэнцефалограммы (иЭЭГ), снятые непосредственно с мозга 55 пациентов с лекарственно-устойчивой эпилепсией. Она начала с анализа сигналов из самых изученных зон — сенсорной, моторной и слуховой. Ее главным вопросом было: как функционирует здоровый мозг в состоянии покоя? И можно ли найти маркеры этой активности, ведь даже в отсутствие внешних стимулов мозг не молчит — он передает огромное количество закодированной информации.

В результате были обнаружены уникальные вычислительные методы, которые позволяют уточнить разделение коры мозга на основе электрической активности его регионов. Это открывает дорогу для новых исследований: можно создавать цифровые модели-»двойники» участков коры, симулировать их реакцию на стимуляцию и в перспективе разрабатывать персонализированную терапию.

Одно из самых практичных применений — диагностика расстройств сна. Существующие методы оценивают сон обобщенно, а детальное изучение активности коры может показать, какие именно области работают иначе. Это крайне важно, ведь сон — не пассивное состояние, а динамический процесс:

• консолидация памяти;
• метаболическая «очистка» мозга;
• реорганизация синапсов.

Кроме того, малейшие изменения в нейронной активности во сне могут сигнализировать о начале нейродегенеративных процессов. Если мы знаем норму, мы можем находить отклонения от нее еще до проявления явных симптомов, что открывает возможности для ранней диагностики и глубокого понимания механизмов болезней.

Реальная польза этого исследования лежит в плоскости превентивной и персонализированной медицины. Оно создает основу для сверхранней диагностики. Сегодня мы видим болезнь Альцгеймера или Паркинсона, когда в мозге уже произошли значительные, зачастую необратимые, структурные изменения. Если же мы научимся считывать малейшие функциональные отклонения в активности конкретных участков коры во время сна — своего рода «фонового» режима работы мозга — мы сможем бить тревогу за годы, а то и десятилетия до клинических проявлений. Это даст беспрецедентное окно возможностей для вмешательства: от изменения образа жизни до применения экспериментальных нейропротекторных терапий, чтобы затормозить или вообще предотвратить развитие болезни.

Основное критическое замечание касается репрезентативности данных. Исследование построено на анализе иЭЭГ пациентов с тяжелой формой лекарственно-устойчивой эпилепсии. Мозг таких пациентов изначально не является «нормотипичным» — его электрическая активность уже серьезно изменена заболеванием, а имплантированные электроды находятся в специфических, патологических зонах. Поэтому переносить обнаруженные закономерности напрямую на здоровых людей может быть некорректно. Существует риск, что мы изучаем не столько общие принципы функционального деления коры, сколько особенности ее работы в условиях патологии. Для валидации методов необходимы повторные исследования на более широкой и разнообразной выборке.

Ранее ученые нашли сходство в работе мозга и ИИ при общении.