Новини науки

Нещодавнє дослідження показало, що фізична форма мозку може мати більше значення, ніж його складна мережа зв'язків і, можливо, ми неправильно розуміємо його будову.

У складному людському мозку міститься близько 86 мільярдів нейронів, з'єднаних між собою незліченними зв'язками. Тривалий час учені вважали, що для розшифровки структурованих схем, які диктують наші думки, емоції та дії, нам необхідно вивчити цю складну мережу. Але нове дослідження ставить це переконання під сумнів. Воно показує, що форма мозку, включно з його борознами, вигинами і складками, насправді впливає на наші моделі нейронної активності більше, ніж величезна кількість зв'язків, пише The Conversation.

У загальноприйнятому розумінні конкретні ділянки мозку "спалахують" у відповідь на певні думки або почуття. Але дослідження показало, що подібно до того, як музична нота виникає внаслідок вібрацій, що поширюються по всій струні скрипки, патерни активності мозку, пов'язані з думками та почуттями, охоплюють майже весь орган.

Зв'язок між формою і функцією проявився, коли вчені досліджували природні схеми збудження мозку, підтримувані його анатомією, які називаються "власними модами", коли різні ділянки мозку резонують на одній і тій самій частоті.

Уявіть собі музичні ноти, які може відтворювати скрипкова струна. Вони народжуються з резонансних коливань струни, які визначаються її фізичними характеристиками, такими як довжина, щільність і натяг. Точно так само і мозок має свій унікальний набір патернів збудження, продиктований його фізичними та анатомічними особливостями. Завдання дослідників полягало в тому, щоб визначити, які з цих характеристик найбільшою мірою визначають ці патерни.

Традиційне мислення передбачає, що лабіринти зв'язків мозку визначають його діяльність. Воно сприймає мозок як скупчення окремих ділянок, кожна з яких виконує певну функцію, наприклад, зір або мову, і які взаємодіють між собою за допомогою волокон, відомих як аксони.

Альтернативна точка зору, втілена в методі, відомому як теорія нейронного поля, відхиляється від цієї концепції. Вона фокусується на безперервному русі клітинних хвиль збудження через мозок, який можна порівняти з ефектом брижів у ставку, спричиненим краплями дощу. Як форма ставка впливає на брижі, так і тривимірна форма мозку формує хвилеподібні форми активності.

Порівнюючи ці дві точки зору, вчені досліджували їхню здатність прояснити понад 10 000 різних карт активності мозку. Ці карти були отримані в результаті тисяч фМРТ-експериментів, проведених під час виконання людьми різних когнітивних, емоційних, сенсорних і моторних завдань.

Автори прагнули інтерпретувати кожну карту за допомогою власних мод, що ґрунтуються на зв'язності мозку, і тих, що ґрунтуються на його формі. Дивовижним відкриттям стало те, що власні моди форми мозку дали більш точне пояснення цим різним патернам активації. Комп'ютерне моделювання підтвердило цей тісний зв'язок між формою і функцією мозку, показавши хвилеподібну активність, що переміщається по мозку. Простота цієї моделі, яка використовувала форму мозку тільки для обмеження просування хвилі, забезпечила краще розуміння активності мозку, ніж більш складна модель, яка намагалася охопити складні деталі активності нейронів і взаємозв'язку.

Вчені також виявили, що майже всі вивчені карти мозку були пов'язані з патернами активності, що охоплюють майже весь мозок. Це ще раз спростовує традиційну думку про те, що активність мозку обмежена окремими ізольованими областями під час виконання завдань. Це говорить про те, що звичайні методи картування мозку можуть лише поверхово відображати справжню складність функціональності мозку.

Накопичені під час дослідження дані спонукають до переоцінки наявних моделей функціонування мозку. Замість того щоб зосередитися винятково на передачі сигналу між окремими областями, вкрай важливо також вивчити, як хвилі збудження поширюються мозком. Метафора брижів на ставку може точніше відобразити великомасштабну функціональність мозку, ніж телекомунікаційна мережа. Метод дослідження, запозичений із багатовікової історії фізики та інженерних досліджень, розглядає, як структура системи обмежує її функцію, представлену власними модами. Такий підхід не був традиційним у нейронауці, де складні статистичні методи використовуються для вимірювання активності мозку без урахування фізичних та анатомічних основ цих патернів.

Використовуючи власні моди, вчені змогли використати фізичні принципи для розуміння того, як різні моделі активності зумовлені анатомією мозку. Простота кількісної оцінки власних мод форми мозку порівняно з даними про зв'язність дає негайні практичні переваги.

"Цей інноваційний підхід відкриває нові шляхи для вивчення того, як форма мозку впливає на функції в процесі еволюції та розвитку, старіння і хвороб", — підбили підсумок автори.