Fale neuronowe w mózgu
Dlaczego jeden bodziec może w naszym mózgu wywoływać różne reakcje? Badacze z Salk Institute for Biological Studies proponują, aby informacje przekazywane między neuronami rozumieć w kategoriach fal, a nie zamkniętych obwodów. Oczywiście, neurony działają liniowo. W oparciu o badanie reakcji mózgu na pewne złudzenie optyczne neurobiolodzy dowiedli jednak, że ruch informacji w mózgu podlega prawom falowania, z rosnącą i malejącą aktywnością oraz interferencją między falami.
Do opisu tego, jak działa mózg, używa się czasem porównania do komputera – przetwarzanie informacji odbywa się poprzez ich przekazywanie z jednej komórki do drugiej, tak samo jak w obwodach komputerowych. Takie porównanie, choć ma wielu krytyków, generalnie odpowiada naszemu rozumieniu tego, jak neurony – podobne do obwodów elektrycznych – przenoszą informacje z różnych miejsc w naszym ciele do mózgu i wewnątrz tego „głównego komputera”.
Nowe badania przeprowadzone przez badaczy z amerykańskiego Salk Institute for Biological Studies, prezentują inną koncepcję tego, jak rozumieć przemieszczanie się informacji w mózgu: poprzez interakcje fal aktywności neuronowej. Odkrycie opublikowane w czasopiśmie Science Advances 22 kwietnia 2022, ma pomóc badaczom lepiej zrozumieć przetwarzanie informacji w mózgu.
Fale aktywności elektrycznej w mózg nie są dla badaczy czymś zupełnie nowym – o ich występowaniu, zarówno w czasie snu, jak i na jawie wiadomo już od dawna. Dotąd jednak główne teorie na temat tego, jak mózg przetwarza informacje, opierały się na opisie tego, jak wyspecjalizowane komórki wykrywają informacje, a następnie przekazują je od jednego neuronu do kolejnego, aż do określonego zakończenia.
Taki model ma jednak trudność, kiedy wyjaśnić trzeba, dlaczego ta sama komórka w różnych warunkach reaguje odmiennie. Na przykład, gdy dane zwierzę jest czujne, szybki błysk światła wywołuje natychmiastową reakcję odpowiedniej komórki sensorycznej, podczas gdy ten sam błysk nie powoduje żadnej reakcji, kiedy zwierzę skupione jest na czymś innym.
Dr Sergei Gepshtein, psycholog i neurobiolog, współautor badań, porównuje to nowe rozumienie działania mózgu do definicji, wedle której fizyka opisuje światło. W niektórych sytuacjach światło zachowuje się jak cząsteczka, zwana fotonem. W innych sytuacjach jego zachowanie przypomina falę. Różnica między cząsteczką i falą polega na tym, że obecność i oddziaływanie cząsteczki ograniczone jest do określonego punktu, a fala jest rozłożona w przestrzeni i tak też działa – jednocześnie w wielu miejscach. Do rozumienia tak złożonego zjawiska jak światło, niezbędne są oba paradygmaty. Podobnie okazuje się działać mózg, którego działanie czasem lepiej opisuje obwodowe działanie neuronów, a czasem – interakcja fal.
Zespół badaczy z Salk Institute badał na modelu zwierzęcym działanie 139 neuonów w reakcji na informacje wizualne. Obserwacje tego, w jaki sposób komórki koordynują swoje działanie opisano następnie w postaci modeli matematycznych, które pozwalać by miały na interpretację aktywności neuronów i przewidywanie ich dalszego działania.
Naukowcy odkryli, że najskuteczniej działanie neuronów opisuje się w kategoriach mikroskopijnych fal, a nie interakcji między poszczególnymi neuronami. Zaobserwowali dzięki temu wzorce dosłownie przypominające morskie fale – z naprzemiennymi wzrostami i obniżeniami aktywności w wielu sąsiednich komórkach jednocześnie. Zauważyli też zjawisko zwane interferencją fal – fale powstające jednocześnie w różnych obszarach mózgu spotykają się i kiedy obie są jednocześnie w szczytowym punkcie, wzajemnie się wzmagają, a kiedy są w przeciwnych stanach, niwelują się nawzajem.
W zwykłej, naturalnej sytuacji takie relacje między falami są czymś nieustannym, więc zrozumienie tego jak działają, może być niezwykle istotne dla opisanie tego, jak działa mózg. Żeby przetestować przygotowany model matematyczny w naturalnych warunkach, badacze przeprowadzili pewien eksperyment wizualny. Dwie osoby zostały poproszone o wykrycie cienkiej, słabej linii („sondy”) znajdującej się na ekranie i otoczonej innymi wzorami światła. Wedle autorów badania, to, jak dobrze ludzie wykonali to zadanie, zależało od tego, gdzie znajduje się sonda. Zdolność do wykrywania sondy została podwyższona w niektórych miejscach a w innych obniżona. W ten sposób osiągnięto zaplanowany efekt fali, przewidywany przez model. A to może być przyczynek do lepszego zrozumienia tego, dlaczego mózg w odmienny sposób reaguje na podobne lub tożsame bodźce.
Badania: Sergei Gepshtein et al, Spatially distributed computation in cortical circuits, Science Advances (2022). DOI: 10.1126/sciadv.abl5865. www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abl5865
Opracowano na podstawie materiału prasowego pt. An ocean in your brain: interacting brain waves key to how we process information opublikowanego na stronie Salk Institute for Biological Studies.
