Исследователи Медицинского центра Ратгерса картировали нейронные связи головного мозга 960 добровольцев в режиме реального времени. Эта карта показала, как быстрые и медленные нейронные процессы объединяются для создания сложного поведения. Ученые обнаружили, что внутренние нейронные временные масштабы, временные окна обработки информации для каждого участка мозга, напрямую формируются путями белого вещества. И само белое вещество распределяет сигналы по всему мозгу. У людей с более полной синхронизацией между нейронными связями и синхронизацией локальной обработкой сигналов, мышление было более здравым и целостным.
Фундамент мышления
Любопытно то, что паттерны быстрой и медленной работы разных участков мозга, а также способность этих участков к интеграции, обусловлены генетическими и молекулярными особенностями каждого человека. Причем точно такая же картина характерна и для мышей. А значит, открытый механизм фундаментален. Он объясняет нейробиологическую основу полученных результатов. А сами результаты выявили механистическую связь между архитектурой мозга, скоростью обработки информации и когнитивными способностями.
Исследование-первоисточник. Открытый доступ
Автор: Линден Паркс
Ключевые термины исследования
Внутренние временные масштабы. Каждый участок мозга обрабатывает информацию в течение собственного характерного временного окна. А в обработку включены как быстрые сенсорные сигналы, так и медленные интегративные паттерны сигналов.
Интеграция связей. Сети белого вещества соединяют эти разные участки мозга, позволяя быстрым и медленным сигналам интегрироваться и выстраивать согласованное поведение.
Индивидуальные различия. Люди, чья нейронная сеть лучше поддерживает коммуникацию в разных временных масштабах, обладают более высокими когнитивными показателями.
Источник: Ратгерский университет
Как работает мозг и где в нем зарождается мышление?
Человеческий мозг постоянно обрабатывает, интерпретирует и реагирует на информацию, которая поступает с разной скоростью. К этому относятся как мгновенные реакции на внезапные изменения окружающей среды, так и более медленные, рефлексивные процессы, к которым относится понимание контекста или смысла.
Новое исследование, проведенное в Медицинском центре Ратгерса и опубликованное в журнале Nature Communications, проливает свет на то, как мозг интегрирует эти быстрые и медленные сигналы в сложной сети связей белого вещества для реализации как когнитивного потенциала, так и поведенческих маркеров.
Различные области мозга специализируются на обработке информации в течение определенных временных интервалов. Это свойство называют «внутренние нейронные временные масштабы», или сокращенно INT.
Чтобы влиять на окружающую среду через целенаправленные действия, наш мозг должен объединять информацию, обработанную в разных участках мозга, да еще и в разных временных масштабах. И мозгу это удается за счет использования белого вещества, которое поддерживает обмен информацией между участками мозга. Именно эта интеграция между ними имеет решающее значение для поведения человека.
Линден Паркс, доцент кафедры психиатрии в Rutgers Health и старший автор исследования.
Это исследование напрямую соотносится с другим научным материалом, про топологические изменения в мозге, на протяжении жизни человека. Его перевод доступен в статье: «пять жизней мозга». По сути, именно синхронизация и целостность связей между участками мозга напрямую определяют «возрастные периоды» нашей жизни. И как именно возникает, развивается, замирает и угасает мышление.
Наглядная демонстрация природы мышления
Чтобы исследовать, как работает синхронизация в мозге, Линден Паркс и его команда проанализировали мультимодальные данные нейровизуализации 960 человек. Ученые создали подробные карты связности головного мозга каждого человека, известные как коннектомы, и применили математические модели, описывающие, как сложные системы изменяются со временем. Этот акт чистого датаизма помог понять, как информация передается по сетям в мозге.
Наша работа исследует механизмы, лежащие в основе этого процесса у человека, путем прямого моделирования интерференционных токов в различных областях мозга на основе их связности. Это проясняет прямую связь между тем, как области мозга обрабатывают информацию локально, и тем, как эта обработка распределяется по всему мозгу для формирования поведения.
Линден Паркс, доцент кафедры психиатрии в Rutgers Health и старший автор исследования.
Исследователи из Ратгерского университета обнаружили, что распределение и синхронизация нейронных временных масштабов по коре головного мозга играет решающую роль в том, насколько эффективно мозг работает с крупномасштабными паттернами активности, связанными с поведением – то есть реализует в своей основе процесс «мышления». Важно также отметить, что эта организация различается у разных людей.
Мы обнаружили, что различия в скорости обработки информации объясняют разный уровень когнитивных способностей.
Линден Паркс, доцент кафедры психиатрии в Rutgers Health и старший автор исследования.
Белое вещество, генетика, молекулярные маркеры и сила воли. Все это объясняет мышление
Исследователи также обнаружили, что эти закономерности связаны с генетическими, молекулярными и клеточными особенностями областей мозга. И все перечисленные факторы подтверждаются вскрывшимися фундаментальными нейробиологическими данными.
Аналогичные взаимосвязи наблюдались и в мозге мышей, что позволяет предположить, что эти механизмы характерны для разных видов.
По сути, речь идет о фундаментальных корреляциях и даже каузациях между целостностью белого вещества головного мозга и его локальными вычислительными свойствами. Люди, у которых структура головного мозга способствует синхронизации разных участков, эффективнее обрабатывают быструю и медленную инф��рмацию. И, как правило, демонстрируют более высокие когнитивные способности.
Практическая значимость для понимания природы мышления
Основываясь на этих результатах, команда расширяет работу, изучая нейропсихиатрические состояния, включая шизофрению, биполярное расстройство и депрессию, исследуя, как нарушения связности головного мозга могут изменять обработку информации.
Исследование проводилось в сотрудничестве с Аврамом Холмсом, доцентом кафедры психиатрии и ключевым сотрудником Института здоровья мозга Ратгерского университета и Центра передовых исследований в области визуализации человеческого мозга. А также с постдокторантами Ахмадом Беем и Эмбер Хауэлл, а также Джейсоном З. Кимом из Корнельского университета.
Ответы на ключевые вопросы
В: Как мозг обрабатывает информацию, которая поступает с разной скоростью?
О: Разные участки мозга функционируют в рамках собственных нейронных временных масштабов, обрабатывая быструю или медленную информацию в зависимости от своей специализации.
В: Что исследователи обнаружили в этих временных масштабах и когнитивных процессах?
О: У людей, чья структура белого вещества хорошо согласуется с требованиями к обработке информации от быстрой к медленной, наблюдается более эффективное переключение состояний мозга и более высокие когнитивные показатели.
В: Почему это исследование важно для понимания заболеваний головного мозга?
О: Нарушения в связности или организации временных масштабов могут изменять поток информации, что открывает возможности для изучения таких состояний, как шизофрения, биполярное расстройство и депрессия.
Больше материалов про исследование мышления, про работу с депрессивными и тревожными состояниями, обзор доступных инструментов и интеграцию мозга с технологиями – вы найдете в сообществе Neural Hack. Заглядывайте, чтобы держать под рукой полезный контент!
