Почему мозг колеблется в определенных диапазонах частот?

Что такое мозговые колебания?

Я думаю, в первую очередь важно понять, к чему относятся мозговые колебания: это небольшие, несколько локализованные колебания напряжения, которые часто измеряются с помощью ЭЭГ (электроэнцефалограммы), хотя их также можно измерить внутри черепа или внутри мозга.

Большинство этих колебаний также наблюдается в мембранных потенциалах отдельных нейронов. Быстрые колебания, такие как гамма-колебания, также можно увидеть в мембранных потенциалах, но они лучше всего связаны со спайковой активностью. Причиной колебаний, измеряемых черепом, является скоординированная активность множества нейронов, действующих согласованно.

Почему определенные частоты?

Многие колебания мозга создаются сочетанием возбуждения и торможения. Гамма-колебания, например, больше всего связаны с взаимодействиями между возбуждающими нейронами и определенными тормозными нейронами, называемыми быстрыми импульсами и/или парвальбумин-позитивными клетками. Частота гамма-колебаний обусловлена ​​временными константами и временем проведения между реципрокными цепями между возбуждающими клетками и клетками с быстрым выбросом. Если бы вы сохранили ту же активность, но изменили бы эти постоянные времени, гамма-частота изменилась бы.

Другие частоты могут быть медленнее, потому что они включают цепи на более длинном расстоянии, такие как взаимодействие между таламусом и корой.

Некоторые из самых медленных колебаний, называемые дельта-колебаниями, возникают из-за длительных периодов высокой и низкой активности, иногда называемых состояниями «ВВЕРХ» и «ВНИЗ» или периодами «ВКЛ» и «ВЫКЛ». Колебания часто вложены друг в друга, что называется межчастотной связью или, более конкретно, часто связью фазы и амплитуды. Во время фазы «ВНИЗ» медленных дельта-колебаний амплитуда на более высоких частотах низкая из-за небольшой пиковой активности; во время фазы «ВВЕРХ» амплитуда на более высоких частотах увеличивается.

Какова цель мозговых колебаний?

Мы не знаем. Существует множество теорий о том, что определенные колебания важны для определенных функций, но большинство доказательств этих теорий являются либо теоретическими, либо корреляционными. В самых общих чертах более медленные колебания, как правило, связаны с отдыхом, тогда как высокочастотные колебания связаны с активной обработкой информации.

Например, гамма-колебания, возможно, участвуют в «связывании» различных типов информации в разных областях коры: синхронная гамма-активность может быть способом, которым область мозга, в первую очередь обрабатывающая звуки, может связать эту информацию с областью мозга, в первую очередь обрабатывающей визуальный объект, производящий этот звук. .

Возможно также, что многие колебания являются просто эпифеноменами: они возникают в результате определенных видов деятельности, а не являются причиной определенных функций. Гамма, например, кажется, увеличивается просто всякий раз, когда увеличивается общая активность нейронов.

Проблема в том, что на самом деле нет способа изучить колебание независимо от остальной активности мозга: все, что влияет на колебание, обязательно будет влиять на нейронную активность другими способами.

Вероятно, лучшим доказательством фактической функциональной роли мозговых колебаний является фазовое кодирование в тета-диапазоне (и связанные с ним гамма-колебания), которое лучше всего изучено в навигационных сетях гиппокампа у грызунов. Синхронизация всплесков по отношению к фазе продолжающихся колебаний может нести больше информации, чем всплески в одиночестве: колебание обеспечивает опорный сигнал.

Что произойдет, если колебания мозга волшебным образом изменятся?

Это как бы зависит от того, каков механизм магии: вы, безусловно, могли бы изменить колебания, совершая экстремальные действия, такие как остановка всей активности нейронов: это было бы очень плохо. Эпилептические припадки являются более естественным, но столь же разрушительным примером ошибочных колебаний. Абсанс-эпилепсия представляет особый интерес, поскольку ее механизмы немного сложнее, чем при больших судорожных припадках.

Однако вы также можете «волшебным образом» изменить колебания, просто закрыв глаза: хорошо известно, что увеличение мощности альфа-канала происходит, когда вы просто ненадолго закрываете глаза. Изменения в мозговых колебаниях являются нормальной частью работы мозга: например, во время сна и бодрствования колебания сильно различаются. Амплитуда и частота определенных колебаний могут модулироваться в зависимости от того, насколько вы бдительны или внимательны. В зависимости от конкретного типа анестетики имеют тенденцию вызывать колебания мозга, которые, по крайней мере, качественно похожи на сон.

Существуют также корреляции между различными моделями колебаний и психологическими заболеваниями или расстройствами. Например, люди с шизофренией демонстрируют другие модели гамма-активности, чем люди, не страдающие шизофренией. Однако неясно, имеет ли смысл рассматривать различия колебаний как причину , а не как симптом . Аутизм, например, связан со сниженной синхронностью на больших расстояниях в мозгу. Считается, что эта сниженная синхронность связана с различиями в связности. В зависимости от вашей точки зрения, вы можете выделить изменение синхронности как важную особенность или рассматривать его как симптом лежащей в основе разницы в связности.

Резюме, выводы и предостережение

Колебания мозга являются ключом к пониманию нервной функции, особенно у людей, где их легче зарегистрировать, чем любой другой тип нейронной активности. Однако нам нужно быть осторожными, думая об осцилляциях как о конкретных сущностях.

Колебания в одной полосе частот могли происходить по совершенно разным механизмам в разных ситуациях. Изменения колебаний, измеренных вне черепа, могут отражать изменения синхронности на больших расстояниях, а не изменения локальной колебательной активности в отдельных столбцах. В качестве аналогии рассмотрим рябь в пруду: амплитуда ряби может немного рассказать вам о размере объекта, нарушившего поверхность воды, но если это все, что у вас есть, вы не можете знать, пришел ли объект изначально сверху. или под поверхностью, будь то птица, рыба, скала и т. д.

Опубликовано множество статей, в которых колебания связываются с определенными состояниями, состояниями или заболеваниями, и они могут быть путями к пониманию, но вряд ли они напрямую определяют лежащие в их основе механизмы.

Для приведенных ниже ссылок я пытался использовать обзорные статьи, где это возможно, которые достаточно удобоваримы и не содержат слишком много дополнительной информации. В частности, я выделил жирным шрифтом пару, которые, по моему мнению, являются отличными отправными точками.

Использованная литература:

Баженов М., Тимофеев И., Стериаде М. и Сейновски Т.Дж. (2002). Модель таламокортикальных медленноволновых колебаний сна и переходов в активированные состояния. Журнал неврологии, 22 (19), 8691-8704.

Бужаки, Г., и Ван, XJ (2012). Механизмы гамма-колебаний. Ежегодный обзор неврологии, 35, 203-225.

Коэн, М.Х., Элгер, К.Э., и Фелл, Дж. (2008). Колебательная активность и фазово-амплитудная связь в медиальной лобной коре человека во время принятия решений. Журнал когнитивной неврологии, 21(2), 390-402.

Голдман, Р.И., Стерн, Дж.М., Энгель-младший, Дж., и Коэн, М.С. (2002). Одновременная ЭЭГ и фМРТ альфа-ритма. Нейроотчет, 13(18), 2487.

Харрис, К.Д., Хенце, Д.А., Хирасе, Х., Лейнекугель, X., Драгой, Г., Чурко, А., и Бужаки, Г. (2002). Динамика серии спайков предсказывает тета-фазовую прецессию в пирамидных клетках гиппокампа. Природа, 417 (6890), 738.

Хассельмо, М.Э., Боделон, К., и Вайбл, Б.П. (2002). Предлагаемая функция тета-ритма гиппокампа: отдельные фазы кодирования и извлечения усиливают отмену предыдущего обучения. Нейронные вычисления, 14(4), 793-817.

Квон, Дж. С., О'Доннелл, Б. Ф., Валленштейн, Г. В., Грин, Р. В., Хираясу, Ю., Нестор, П. Г., ... и Маккарли, Р. В. (1999). Гамма-частотно-диапазонные аномалии слуховой стимуляции при шизофрении. Архив общей психиатрии, 56(11), 1001-1005.

Лисман, Дж. Э., и Дженсен, О. (2013). Нейронный код тета-гамма. Нейрон, 77(6), 1002-1016.

Стериаде, М., Маккормик, Д.А., и Сейновски, Т.Дж. (1993). Таламокортикальные колебания в спящем и бодрствующем мозге. Наука, 262(5134), 679-685.

Таллон-Бодри, К., и Бертран, О. (1999). Колебательная гамма-активность человека и ее роль в репрезентации объектов. Тенденции в когнитивных науках, 3(4), 151-162.

Улхас, П.Дж., и Сингер, В. (2006). Нейронная синхрония при заболеваниях головного мозга: актуальность для когнитивных дисфункций и патофизиологии. Нейрон, 52(1), 155-168.

Я тоже заинтересован в этом вопросе. Я не специалист в этом вопросе, но, насколько я понимаю, мозговые колебания, по-видимому, необходимы для совместной работы большого количества нейронов: чтобы не компенсировать информацию друг друга и объединить их информацию в одну связную Информация. И, кажется, в мозгу есть генераторы колебаний для различных ритмов. Это то, что я могу ответить вам здесь. По осцилляциям мозга много литературы, их можно поискать на NCBI . Вот несколько статей, которые могут быть вам интересны:

...Известно, что отдельные нейроны не способны выполнять сложные когнитивные операции изолированно, а вместо этого должны образовывать функциональные сети с другими нейронами, и поэтому считается, что синхронная активность нейронов имеет отношение к познанию... Ритмы гиппокамповой сети

Ритмы являются важным признаком активности мозга. Их экспрессия коррелирует с многочисленными примерами обработки информации здоровыми, а их колебания являются маркером болезненных состояний. Тем не менее, их причинная или эпифеноменальная роль в функционировании мозга все еще широко обсуждается... Когда мозговые ритмы не являются «ритмичными»: последствия для их механизмов и значения

Гиппокамп, структура, необходимая для многих типов памяти, соединяется с медиальной префронтальной корой, областью, которая помогает направлять информационные потоки нейронов во время преднамеренного поведения. Все больше данных свидетельствует о том, что колебания регулируют связь между этими двумя областями. Тета-ритмы могут облегчать входы гиппокампа в медиальную префронтальную кору во время мнемонических задач, а также могут интегрировать ряд функционально значимых гамма-опосредованных клеточных ансамблей в медиальной префронтальной коре… Осцилляции и гиппокампально-префронтальная синхронность