Нейробиологи из Сиднейского и Фуданьского университетов совершили удивительное открытие, анализируя динамику сигналов фМРТ в коре головного мозга человека. Они выявили существование спиралевидных волн активности, которые распространяются по поверхности коры. Ученые предполагают, что эти «мозговые спирали» выполняют важнейшую организационную функцию, упорядочивая нейронную активность и лежащие в основе когнитивные процессы. Данное открытие не только углубляет понимание работы мозга, но и открывает новые перспективы для создания вычислительных систем, архитектура которых будет вдохновлена принципами работы человеческого разума.
Кора головного мозга, будучи самым внешним и сложноорганизованным слоем, является центром интеграции для миллиардов нейронов. Именно здесь протекают высшие когнитивные функции: мышление, речь, память, восприятие и сознание. Обнаруженные спиральные паттерны активности оказались универсальным феноменом — они наблюдаются как в состоянии покоя, так и при решении разнообразных умственных задач, что указывает на их фундаментальную роль в работе мозга.
Традиционно нейронаука фокусировалась на изучении связей между отдельными нейронами. Однако современные исследования всё чаще обращаются к анализу крупномасштабных динамических паттернов, чтобы раскрыть более общие принципы мозговой организации. «Крупномасштабная активность человеческого мозга демонстрирует богатые и сложные паттерны, но пространственно-временная динамика этих паттернов и их функциональная роль в познании остаются неясными», — отмечают авторы исследования в журнале Nature Human Behaviour.
Спирали как «коммуникационные мосты» мозга
Изучив данные фМРТ около ста молодых людей, исследовательская группа впервые зафиксировала эти загадочные церебральные спирали, движущиеся по коре. Примечательно, что они были обнаружены в мозге каждого участника, что подтверждает их универсальность.
Хотя точные функции спиралей ещё предстоит детально изучить, уже ясно, что они играют ключевую роль в координации активности мозга. «Свойства этих мозговых спиралей, такие как направление и место их вращения, имеют отношение к выполнению задач и могут использоваться для классификации различных когнитивных задач», — подчеркивают ученые.
Было установлено, что спирали вращаются вокруг особых точек, названных «центрами фазовой сингулярности». Эти центры распределены по всей коре, создавая сложную пространственно-временную динамику. Спиральные волны могут преодолевать расстояния до десяти сантиметров.
Обратите внимание: Японские ученые осваивают технологии создания детей из клеток кожи.
Интересно, что распределение спиралей в левом и правом полушариях демонстрирует определённую симметрию: кластеры спиралей с противоположными направлениями вращения часто располагаются в аналогичных функциональных зонах двух полушарий.
Иллюстрация, демонстрирующая, как множество взаимодействующих спиралей организуют потоки активности в мозге. Анализ показал, что спирали часто возникают на границах между различными функциональными сетями мозга. Это расположение наводит на мысль, что они могут действовать как своеобразные «коммуникационные мосты», эффективно связывая активность в разных нейронных сетях посредством своего вращательного движения. Некоторые из наблюдаемых спиралей были настолько масштабны, что охватывали сразу несколько сетей.
«Сложные взаимодействия между несколькими сосуществующими спиралями могут позволить нейронным вычислениям выполняться распределенным и параллельным образом, что приводит к удивительной вычислительной эффективности», — поясняет Пулин Гонг, доцент Школы физики Сиднейского университета и соавтор исследования.
От фундаментального понимания к практическим применениям
Исследователи выяснили, что взаимодействующие спиральные цепи обеспечивают мозгу гибкость для перенастройки активности при выполнении различных задач, например, связанных с обработкой естественного языка или работой памяти. Когда участников просили выполнить конкретное задание (скажем, решить математическую задачу или прослушать рассказ), спирали в разных областях мозга меняли направление вращения с часовой стрелки на против часовой. Это указывает на их непосредственную роль в координации мозговой деятельности в зависимости от контекста. Распределение спиралей также варьировалось в зависимости от типа решаемой задачи.
Карта плотности спиралей в левом полушарии во время прослушивания рассказа и решения математического теста. Области коры с преобладанием спиралей по часовой стрелке отмечены красным, против часовой — синим. Справа показана вероятность наблюдения спиралей с определенным направлением вращения. Поскольку расположение и направление вращения мозговых спиралей четко зависят от выполняемой задачи, эти параметры можно использовать в качестве надежных маркеров для классификации различных стадий когнитивной обработки информации.
«Наше исследование показывает, что лучшее понимание того, как спирали связаны с когнитивной обработкой, может значительно улучшить наше понимание динамики и функций мозга», — говорит профессор Гонг. Более глубокое понимание базовых принципов работы коры также может пролить свет на природу заболеваний, непосредственно затрагивающих этот отдел мозга, таких как деменция или последствия церебрального паралича.
Но потенциал открытия выходит за рамки медицины. Ученые полагают, что оно может стать основой для разработки принципиально новых, более сложных и эффективных вычислительных систем, архитектура которых будет напрямую вдохновлена организацией человеческого мозга. Авторы надеются, что их работа стимулирует дальнейшие исследования крупномасштабных динамических явлений в мозге, что в конечном итоге позволит полнее раскрыть тайны его работы.
Больше интересных статей здесь: Новости науки и техники.