Науковці Єльського університету відстежили гамма-хвилі мозку до взаємодії між таламусом і корою. Це відкриття може пролити світло на те, як ритми мозку формують сприйняття та впливають на розвиток захворювань. Відкриття, що пояснює ритми мозку Понад століття вчені спостерігали ритмічні хвилі синхронізованої нейронної активності в мозку. Тепер, уперше, дослідники з Єльського університету визначили, звідки саме походить один із таких типів активності — гамма-хвилі — і безпосередньо пов’язали їх із поведінкою. Завдяки створенню надточного нового методу вимірювання активності мозку команда змогла подолати технічні бар’єри, які раніше заважали зрозуміти, як ці осциляції беруть участь в обробці інформації та контролі поведінки. Результати опубліковані в журналі Nature. Від несподіваного відкриття до прориву Джессіка Кардин, доктор філософії, професорка нейронаук Медичної школи Єльського університету, спочатку не планувала повертатися до цієї теми. Ще під час постдокторської роботи вона показала, що гамма-хвилі можна штучно викликати в мозку, але вважала проведення «ідеального експерименту» для перевірки їхньої функції майже неможливим. У нейронауці, щоб зрозуміти роль певного елемента — гена, білка або ритму мозку — зазвичай намагаються його вимкнути й подивитися, що станеться. Але з мозковими осциляціями такий підхід не працює. «Проблема в тому, що ви не можете просто вимкнути осциляцію, не вплинувши на всю навколишню нейронну мережу», — пояснює Кардин, також членка Інституту Ву Цая при Єльському університеті. — «Тому, коли я заснувала власну лабораторію, думала, що ми ніколи не займатимемось цією темою». Це змінилося, коли її постдокторський співробітник Квентін Перрено, перший автор дослідження, представив цікаві дані про те, як інформація проходить через мозок під час виконання поведінкових завдань. Результати натякали, що гамма-хвилі можуть передбачати поведінку. Команда вирішила розвинути це відкриття — і в результаті отримала дані, які кинули виклик давнім уявленням про походження мозкових ритмів. «Це не зовсім ідеальний експеримент, але набагато ближчий до нього, ніж усе, що нам коли-небудь вдавалося зробити», — каже Кардин. Гамма-активність виникає у взаємодії таламуса та кори Щоб провести дослідження, команда створила новий, наддетальний метод вимірювання гамма-хвиль. Раніше вважалося, що ці мозкові осциляції є безперервними — подібними до плавної звукової хвилі. Однак нові дані свідчать, що гамма-активність виникає короткими, переривчастими спалахами. Спираючись на цю ідею, дослідники записали нейронну активність у 16 різних ділянках зорової кори — області мозку, яка відповідає за обробку візуальної інформації. Це дало змогу з високою точністю зафіксувати як просторову, так і часову динаміку гамма-хвиль. Потім записи були розділені на окремі «гамма-події» — кожна відповідала одному циклу хвилі (пік–спад–пік). Якби гамма-хвилі були безперервними, об’єднання цих подій створило б єдиний плавний малюнок активності. «Але виявилося, що ці події можуть виникати разом, короткими спалахами або окремо», — пояснює Кардин. — «Вони не відбуваються у вигляді довгих послідовностей». Новий підхід, який дослідники назвали CBASS (Clustering Band-limited Activity by State and Spectrotemporal feature), виявився значно чутливішим за попередні методи. «Він дає змогу з високою точністю вимірювати час і чітко визначати короткі події, а отже, картувати їх у моменти, коли тварина приймає рішення», — каже Кардин. — «Ми можемо зіставляти активність мозку з поведінкою з точністю, якої раніше не мали». Дві гіпотези і новий погляд Щодо походження гамма-хвиль існувало дві теорії: більшість даних свідчили, що вони виникають у корі, тоді як інші припускали, що кора отримує цю активність із таламуса, який передає сенсорну та моторну інформацію. «Наші нові дані показують, що обидві теорії неповні — гамма-активність виникає у процесі взаємодії таламуса й кори. Таламус надсилає сигнали, а кора підсилює їх, створюючи гамма-хвилі», — пояснює Кардин. Порушення сигналів таламуса змінює поведінку Висока точність CBASS дала змогу дослідникам уперше «зламати систему» — порушити ці патерни активності, не впливаючи на весь мозок. Для цього мишей навчили виконувати зорове завдання: вони отримували винагороду, якщо облизували поїлку лише тоді, коли на екрані з’являвся певний візуальний стимул. Потім науковці штучно порушили передачу сигналів від таламуса до кори — і разом із цим зникла гамма-активність у корі. Результат: миші почали значно гірше виконувати завдання. Після цього дослідники зробили зворотний експеримент — штучно створили гамма-хвилі. «Ми записали гамма-активність у мишей, які бачили стимул, і “програли” її в мозок інших мишей. І це обмануло їх — вони поводилися так, ніби бачили стимул», — розповідає Кардин. Разом ці результати показують, що гамма-активність у корі допомагає інтегрувати зорову інформацію та бере участь у формуванні поведінкових реакцій. Це особливо важливо, оскільки відомо, що така активність змінюється у людей із нейророзвитковими розладами, шизофренією, біполярним розладом і нейродегенеративними захворюваннями. Подальші кроки: зв’язок між гамма-хвилями, когніцією та хворобами Лабораторія Кардин тепер досліджує, чи можна використати гамма-активність кори як ранній біомаркер хвороби Альцгеймера. Ацетилхолін і норадреналін — ключові сигнальні молекули таламуса та кори — тісно пов’язані з когнітивними процесами, але зникають при нейродегенеративних розладах. Вони регулюють ритми мозкової активності. «Ми починаємо досліджувати, як ці нейромодулюючі сигнали пов’язані з гамма-подіями, і використовуємо наші інструменти, щоб краще зрозуміти послідовність порушень у процесі нейродегенерації», — каже Кардин. — «Це може привести до створення зрозумілого, доступного для людини раннього біомаркера хвороби Альцгеймера».