Исследователи из Фонда Шампалимо и Университета Миньо (Португалия) обнаружили доказательства существования резонансных волн в мозговой деятельности крыс с помощью сверхбыстрой и сверхвысокопольной магнитно-резонансной томографии. Их работа демонстрирует на основе простых фундаментальных принципов, как такие волны - подобно звуковым колебаниям в гитарном камертоне - могут формировать связи между удаленными участками мозга, которые являются ключевыми для здоровой работы мозга.

Прошло более 20 лет с тех пор, как нейровизуализационные исследования с использованием функциональной магнитно-резонансной томографии (фМРТ), широко используемой технологии для получения видеозаписей активности мозга в реальном времени, выявили сложные паттерны коррелирующей активности мозга, которые проявляются в широком спектре неврологических и психических расстройств. Эти паттерны формируются спонтанно, даже в состоянии покоя, когда не выполняется никакой конкретной задачи, и были обнаружены не только у людей, но и у всех млекопитающих, включая обезьян и грызунов.

Хотя такие пространственные паттерны коррелированной активации постоянно обнаруживались в центрах нейровизуализации по всему миру, природа этих корреляций была неясна.

"Мы еще не до конца понимаем, как мозг обменивается информацией на больших расстояниях. Мы знаем, что удаленные области демонстрируют корреляцию сигналов, и что она связана с функцией мозга, но мы не до конца понимаем ее природу", - говорит Ноам Шемеш, главный исследователь лаборатории доклинической МРТ в Фонде Шампалимо в Лиссабоне и старший автор исследования, опубликованного в журнале Nature Communications.

"В данном исследовании мы хотели понять, что лежит в основе этих корреляций, и изучить задействованные механизмы", - подчеркивает Шемеш.

В ряде теоретических работ предлагалось объяснить эти паттерны стоячими волнами (пики и впадины которых не перемещаются в пространстве), резонирующими в структуре мозга - то есть волнами, аналогичными модам вибрации в музыкальных инструментах. Но экспериментальных доказательств в поддержку этой гипотезы было мало из-за низкого временного разрешения фМРТ, достигающего лишь одного-двух изображений в секунду.

"Если бы мы смогли обнаружить, что пространственные паттерны колеблются, это стало бы доказательством в пользу гипотезы резонанса", - говорит Жоана Кабрал, первый автор исследования, сотрудник Научно-исследовательского института наук о жизни и здоровье Университета Миньо и приглашенный ученый в лаборатории Шемеша с 2019 года.

Поэтому команда ускорила получение изображений и обнаружила, что сигналы в отдаленных областях мозга действительно осциллируют вместе во времени. "Эти осцилляторные паттерны выглядят как более высокоразмерный аналог резонансных режимов в музыкальных инструментах; они сродни реверберации, эху внутри мозга", - говорит Кабрал.

"Наши данные показывают, что сложные пространственные паттерны являются результатом переходных и независимо осциллирующих базовых режимов, подобно тому, как отдельные инструменты участвуют в создании более сложного произведения в оркестре", - говорит Шемеш.

"Отдельные моды, каждая из которых вносит свой вклад в общую картину на разных временных масштабах и разных длинах волн, могут быть сложены вместе, создавая сложные макроскопические картины, похожие на те, которые наблюдаются экспериментально [см. ниже]. Насколько нам известно, это первый случай, когда активность мозга, зафиксированная с помощью фМРТ, реконструируется как суперпозиция стоячих волн", - отмечает он.

Таким образом, новое исследование указывает на ключевую роль этих резонансных волн, или мод, в работе мозга. Авторы считают, что эти резонансные явления лежат в основе когерентной, скоординированной активности мозга, которая необходима для нормальной работы мозга в целом".

Сверхбыстрая магнитно-резонансная томография

Исследователи обнаружили резонансные режимы у крыс в состоянии покоя, то есть животные не подвергались никаким конкретным внешним стимулам. Действительно, никаких заданий не требовалось, поскольку, как уже упоминалось, даже когда мы (и млекопитающие в целом) ничего особенно не делаем, наш мозг продолжает генерировать спонтанные паттерны активности, которые можно зафиксировать с помощью МРТ.

Чтобы визуализировать колебания, исследователи создали "видео" активности с помощью мощного экспериментального МРТ-сканера сверхвысокого поля в лаборатории Шемеша и провели сверхбыстрые эксперименты, разработанные некоторое время назад в этой лаборатории для других целей.

"Ноам и я встретились в 2019 году, и мы решили получить записи активности мозга с максимальным временным разрешением, которого мы могли достичь на сканере 9,4 Тесла в его лаборатории", - вспоминает Кабрал. "Ноам разработал эксперименты, Франциска Фернандеш [третий автор исследования] провела их, а я занимался анализом данных и визуализацией. Ноаму удалось добиться временного разрешения 26 изображений в секунду и, таким образом, получить 16 000 изображений за 10 минут сканирования (вместо 600 изображений при обычном разрешении одно изображение в секунду)".

Как волны в океане

"Когда мы впервые просмотрели видеозаписи активности мозга, мы увидели четкие волны активности, как волны в океане, распространяющиеся в сложных узорах в коре и стриатуме [подкорковая область переднего мозга]", - говорит Кабрал.

"И мы обнаружили, что сигналы могут быть описаны суперпозицией небольшого числа макроскопических стационарных волн, или резонансных мод, колеблющихся во времени. Примечательно, что каждая стоячая волна охватывает обширные области мозга, причем пики распределены в отдельных корковых и подкорковых структурах, образуя функциональные сети".

Исследователи экспериментировали с крысами в трех различных условиях: с седацией, легкой анестезией и глубокой анестезией. (На самом деле, животных слегка усыпляли в состоянии покоя, чтобы избежать какого-либо дискомфорта для них). "Пространственная конфигурация этих стационарных волн была очень последовательной у всех крыс, которых сканировали в одном и том же состоянии", - отмечает Кабрал.

Шемеш добавляет: "Мы показали, что функциональные сети мозга управляются резонансными явлениями. Это объясняет корреляции, которые иначе наблюдаются при медленной визуализации. Взаимодействие мозга на большом расстоянии регулируется "потоком" информации, который является осциллирующим и повторяющимся".

Патологические состояния

Они также обнаружили, что увеличение количества анестетика уменьшает количество, частоту и продолжительность резонансных стационарных волн. Как уже упоминалось, предыдущие исследования показали, что определенные паттерны активации мозга последовательно изменяются при расстройствах сознания. Так что этот экспериментальный дизайн, говорит Кабрал, на самом деле также был призван имитировать различные патологические состояния.

"Функциональные сети оказываются нарушенными при некоторых неврологических и психиатрических расстройствах", - отмечает она. По ее мнению, если результаты исследования будут подтверждены на людях, это может привести к использованию резонансных режимов в качестве биомаркеров заболеваний.

Наше исследование также дает новую "зацепку" в изучении болезней", - подтверждает Шемеш. "Мы знаем, что дальнодействующая активность мозга сильно нарушается при заболеваниях, но мы не понимаем, почему и как. Понимание механизма дальнодействующих взаимодействий может привести к совершенно новому способу описания болезни и подсказать тип лечения, которое может быть необходимым: например, если у пациента отсутствует определенный резонансный режим, мы могли бы найти способы стимулировать этот режим".

Исследователи согласны с тем, что для подтверждения всех этих результатов и их воспроизводимости на людях, очевидно, потребуется дополнительная работа. Но "как только мы лучше поймем природу функциональных сетей, мы сможем разработать обоснованные стратегии для модуляции этих сетевых паттернов", - говорит Кабрал.