Одна из самых больших загадок в нейробиологии – это то, как наши мозги кодируют мысли, такие как восприятие и воспоминания, на клеточном уровне. Некоторые данные свидетельствуют о том, что ансамбли нейронов представляют каждую уникальную информацию, но никто не знает, как выглядят эти ансамбли или как они формируются. Колебания электрической активности также могут позволить мозгу формировать мысли и воспоминания.
Новое исследование исследователей из Массачусетского технологического института и Бостонского университета (БУ) проливает свет на то, как нейронные ансамбли формируют мысли и поддерживают гибкость, чтобы изменить свое мнение. Исследовательская группа во главе с Эрлом Миллером, профессором нейробиологии Пикавера в Массачусетском технологическом институте, идентифицировала группы нейронов, которые кодируют конкретные поведенческие правила, колеблются синхронно друг с другом.
Результаты показывают, что природа сознательной мысли может быть ритмичной, сообщают исследователи, опубликовавшие свои выводы в выпуске Neuron от 21 ноября.
«Когда мы говорим, мысли всплывают и выходят из головы. Это все ансамбли, которые формируются, а затем перестраиваются на что-то еще. Было загадкой, как мозг это делает », – говорит Миллер, который также является членом Института Пикава по изучению и памяти Массачусетского технологического института. «Это основная проблема, о которой мы говорим, – сама природа самой мысли».
Правила поведения
Исследователи идентифицировали два нейронных ансамбля в мозгах обезьян, обученных реагировать на объекты, основанные либо на их цвете, либо на ориентации. Эта задача требует когнитивной гибкости – способности переключаться между двумя различными наборами правил поведения.
«Эффективно то, что они делают, сосредоточено на некоторых частях информации в мире и игнорирует других. Какое поведение они делают, зависит от контекста », – говорит Тим Бушман, постдок MIT и один из ведущих авторов статьи.
Когда животные переключались между задачами, исследователи измеряли мозговые волны, произведенные в разных местах во всей префронтальной коре, где происходит большинство планирования и мысли. Эти волны генерируются ритмическими флуктуациями электрической активности нейронов.
Когда животные реагировали на объекты, основанные на ориентации, исследователи обнаружили, что некоторые нейроны колеблются на высоких частотах, которые производят так называемые бета-волны. Когда цвет был требуемым правилом, в бета-частоте колебался другой ансамбль нейронов. Некоторые нейроны перекрывались, принадлежащие более чем одной группе, но каждый ансамбль имел свой собственный характер.
Интересно, что исследователи также наблюдали колебания в низкочастотном альфа-диапазоне среди нейронов, составляющих ансамбль правил ориентации, но только при применении правила цвета. Исследователи полагают, что альфа-волны, которые были связаны с подавлением активности мозга, помогают успокоить нейроны, которые вызывают правило ориентации.
«Это говорит о том, что ориентация была доминирующей, а цвет был слабее. Мозг выбрасывал этот альфа в ансамбле ориентации, чтобы его заткнуть, поэтому животное могло использовать более слабый ансамбль, – говорит Миллер.
Выводы могут объяснить, как мозг может создать любой соответствующий поведенческий ответ на бесчисленные возможные комбинации стимулов, правил и необходимых действий, говорит Паскаль Фрис, директор Института неврологии им. Эрнста Струнгмана во Франкфурте, Германия.
«Мы, вероятно, составим соответствующую сборку нейронов на лету через синхронизацию», – говорит Фрис, который не был членом исследовательской группы. «Количество комбинаторных возможностей огромно, точно так же, как и число возможных 10-значных телефонных номеров».
Эрик Деновеллис, аспирант Бостонского университета, также является ведущим автором этой статьи. Другие авторы – Синира Диого, бывший постдиск Института Пикава, и Даниэль Баллок, профессор когнитивных и нейронных систем в БУ.
Колебание как сознание
Теперь исследователи пытаются выяснить, как эти нейронные ансамбли координируют свою деятельность, когда мозг переключается между разными правилами или мыслями. Некоторые нейробиологи предположили, что более глубокие структуры мозга, такие как таламус, справляются с этой координацией, но никто не знает наверняка, говорит Миллер. «Это одна из самых больших загадок познания, что контролирует ваши мысли», – говорит он.
Эта работа также может помочь разгадать нервную основу сознания.
«Самая фундаментальная характеристика сознания – его ограниченная способность. Вы можете одновременно воспринимать очень мало мыслей, – говорит Миллер. Эти колебания могут объяснить, почему это: Предыдущие исследования показали, что когда животное держит две мысли в виду, два разных ансамбля колеблются в бета-частотах, не в фазе друг с другом.
«Это сразу подсказывает, почему существует ограниченная способность к сознанию: только так много мячей можно держать в воздухе одновременно, только ограниченное количество информации может вписаться в один колебательный цикл», – говорит Миллер. Нарушения этих колебаний могут быть связаны с неврологическими расстройствами, такими как шизофрения; исследования показали, что у пациентов с шизофренией снижаются бета-колебания.