Представьте, что мозг — это озеро, а электрическая активность в нем — это расходящиеся по воде круги. Увидеть, как именно движутся эти «мозговые волны», впервые обнаруженные в 1920-х годах, теперь можно как никогда четко. Группа ученых из Стэнфорда создала сверхчувствительные инструменты и новые методики, которые это позволяют.

Технологию описали в журнале Cell. В ее основе — два оптических прибора, которые улавливают свечение специальных белков. Эти белки, их называют «индикаторы напряжения», вживляют в нейроны мышей. Когда нейрон работает, белок светится, и прибор это фиксирует. Хотя метод пока применяют только в экспериментах на животных, его потенциал уже очевиден. Благодаря ему ученые обнаружили три новых типа мозговых волн, которые движутся способами, ранее неизвестными науке.

Теперь мы можем наблюдать широкую картину: как волны распространяются по всему мозгу, — говорит старший автор работы Марк Дж. Шнитцер, профессор биологии и прикладной физики. — Мы одновременно смотрим на несколько его областей и видим, как волны пробегают по коре — самому внешнему слою нервной ткани. И мы можем выделить волны от конкретных типов клеток.

В отличие от электродов, которые электричеством улавливают активность в отдельных точках, разработка команды Шнитцера использует свет. Она позволяет в реальном времени визуализировать путешествие мозговых волн и при этом фокусироваться на активности одного-двух конкретных типов нейронов.

Ученые пытаются понять природу этих волн с тех пор, как более века назад немецкий врач Ханс Бергер впервые засек их у человека с помощью ранней версии ЭЭГ (электроэнцефалографии).

Сегодня известно, что аномалии в этих волнах связаны с различными заболеваниями:

• Болезнь Паркинсона и Альцгеймера
• Эпилепсия
• Шизофрения

Главной сложностью оставалось определить, какие типы нейронов порождают какие типы волн. Новая технология может помочь решить эту проблему. Она основана на оптической методике TEMPO, над которой команда под руководством Шнитцера и Майкла Лина, профессора нейрохирургии и биоинженерии, работала более десяти лет.

В этом исследовании ученые представили два новых взаимодополняющих инструмента TEMPO:

1. Волоконно-оптический сенсор: в десять раз чувствительнее предыдущих версий. Он позволяет отслеживать электрическую активность в мозге мышей, пока те занимаются своими обычными делами.
2. Оптический мезоскоп: дает изображение участка мозга шириной 8 мм, показывая нейронную активность across почти всей новой коры (неокортекса) мыши. Это та самая часть мозга, что отвечает за высшие функции — восприятие и познание.

С помощью этой технологии исследователи увидели несколько волн, которые раньше не фиксировали. Среди них — два типа бета-волн (волны высокой частоты, связанные с активной умственной деятельностью). Они двигались перпендикулярно друг другу.

Также они обнаружили тета-волну (волну низкой частоты, связанную с обработкой памяти). Раньше знали, что она движется только в одном направлении, но оказалось, что она может идти и назад.

Пока точно не ясно, что может означать это обратное движение. Одна из теорий предполагает, что тета-волна может использовать «обратное распространение» — механизм, похожий на тот, что используют для обучения искусственные нейронные сети.

Кажется, в мозге есть внутренние часы, которые синхронизируют нейронную активность. Но эти путешествующие волны также могут реорганизовать нейронные цепи на больших расстояниях, выходя за рамки локальных связей, — говорит соавтор исследования Радослав Храпкевич. — Это может сыграть важную роль в создании новых био-вдохновленных моделей искусственного интеллекта.

Чтобы понять все последствия этих открытий, нужно провести еще много исследований.

Но новая технология, без сомнения, откроет множество путей как для нейронауки, так и для развития искусственного интеллекта.

В нейробиологии есть масса важных применений для понимания патологий и различных динамических процессов в мозге, — говорит ведущий автор работы, научный сотрудник Симон Хазиза. — Мы только прикоснулись к поверхности.

Реальная польза этого исследования носит фундаментальный и долгосрочный характер. Это не про то, чтобы завтра изобрести таблетку от Альцгеймера. Это про то, чтобы в принципе понять «алфавит» и „грамматику“ языка, на котором говорят нейроны. Расшифровав, какие именно типы клеток и какими паттернами волн отвечают за те или иные процессы, мы получим карту аномалий. Врач будущего, глядя на ЭЭГ пациента с подозрением на болезнь Паркинсона, сможет не просто увидеть „что-то не так“, а точно определить: „Ага, вот здесь у него сбился ритм в конкретной группе нейронов, вырабатывающих дофамин“.

Это прямой путь к ранней и сверхточной диагностике. Кроме того, понимание механизмов распространения волн может привести к прорыву в нейроинтерфейсах — устройствах, которые будут не грубо считывать сигнал, а тонко и избирательно «подстраиваться» под внутреннюю ритмику мозга для более естественной связи с протезами или компьютерами.

Основное замечание лежит в плоскости методологии и ее дальнейшей применимости. Исследование проводилось на мышах, с использованием генетически модифицированных белков-индикаторов. Это означает, что между мозгом грызуна и мозгом человека — колоссальная пропасть в плане сложности организации и масштаба. Нейронная активность у мышей, даже в их «естественной среде» в лаборатории, гораздо менее сложна, чем у человека. Кроме того, сам метод требует внедрения чужеродных белков в нейроны, что делает его в обозримом будущем абсолютно неприменимым к людям по этическим и практическим соображениям. Таким образом, хотя исследование блестяще решает задачу наблюдения за мозгом животного, вопрос о том, насколько обнаруженные паттерны волн (включая обратные тета-волны) релевантны для человеческого мозга, остается открытым и является главным вызовом для дальнейших работ.

Ранее ученые выяснили, почему умные люди думают гармонично.