В коре человеческого мозга обнаружили электрические волны, которые не просто движутся из одной области в другую, а закручиваются в спирали, расходятся кругами из одной точки и сходятся к общему центру. Форма таких волн менялась вместе с задачами на память, а при работе с пространственной информацией исследователи чаще видели вращающиеся узоры. Наблюдения дают новый взгляд на то, как мозг может за доли секунды перестраивать совместную работу удалённых групп нейронов.
Под электрическими вихрями здесь не стоит понимать настоящий водоворот электрического тока внутри головы. Нейроны ритмично меняют активность, а возбуждение разных участков коры достигает пика в немного разное время. Если проследить эти изменения сразу во многих точках, возникает движущийся рисунок. Такие бегущие волны известны давно, но раньше их часто представляли сравнительно просто: как фронт активности, который перемещается по коре примерно в одном направлении.
Новый анализ показал гораздо более сложную картину. Исследователи нашли спиральные волны, вращавшиеся по часовой стрелке или против неё, концентрические волны, расходившиеся от локального источника или сходившиеся к одной области, а также структуры неправильной формы. Один и тот же участок коры мог со временем переключаться между разными рисунками.
Авторы работали с записями 24 пациентов с лекарственно устойчивой эпилепсией, которым электроды установили по медицинским показаниям. Для анализа использовали электроды, лежавшие непосредственно на поверхности коры. Такой способ позволяет видеть пространственное движение электрической активности намного подробнее, чем обычная электроэнцефалография с датчиками на коже головы.
Девять участников выполняли задачу на пространственную память. Люди перемещались по виртуальной среде, находили предметы и позднее вспоминали их расположение. Ещё 15 участников запоминали небольшие последовательности букв и затем определяли, встречалась ли показанная буква в только что увиденном наборе. После первичной обработки исследователи исключили данные семи человек, у которых записи не соответствовали критериям анализа устойчивых ритмических колебаний.
Волны двигались по коре со скоростью примерно от 0,3 до 3,3 м/с, а отдельный устойчивый рисунок обычно сохранялся около 80–180 мс. Исследователи сосредоточились на колебаниях примерно от 5 до 26 Гц, то есть на диапазонах, куда входят тета-, альфа- и бета-ритмы. Важной оказалась не только частота колебаний. Значение имели направление, сила и сама геометрия движения активности по коре.
Разница особенно хорошо проявилась между двумя типами памяти. При пространственной задаче вращающиеся волны встречались чаще, тогда как при запоминании букв исследователи чаще наблюдали концентрические структуры. Среди концентрических волн различия оказались ещё заметнее: в пространственной задаче 78% таких рисунков расходились наружу от локального центра, а в словесной задаче 68% сходились к центру.
Авторы предполагают, что расходящиеся волны могут помогать передавать информацию из локального участка сразу нескольким областям мозга. Пространственная память требует одновременно учитывать положение предметов, ориентиры, направление движения и окружающую обстановку, поэтому мозгу приходится связывать распределённые системы. Более локальная задача на удержание нескольких букв может, напротив, обходиться более сосредоточенной обработкой. Пока такое объяснение остаётся гипотезой, а не доказанным механизмом работы памяти.
Рисунок волн менялся и внутри одной задачи. При запоминании, навигации, извлечении информации и отвлекающем задании направление и сила распространения активности различались. Алгоритм машинного обучения смог по характеристикам волн различать некоторые состояния памяти у отдельных участников. Контрольные проверки показали, что результат нельзя свести просто к изменению частоты мозговых ритмов: различалась именно пространственная организация волн.
Работа развивает предыдущие наблюдения, где исследователи обнаружили более простой эффект. При успешном запоминании тета- и альфа-волны чаще распространялись по коре в одном направлении, а при извлечении воспоминания направление менялось. Новые данные показывают, что прямолинейное движение описывает лишь часть картины: некоторые прежние наблюдения могли захватывать только небольшой фрагмент гораздо более крупной спирали или концентрической волны.
Почему геометрия вообще может иметь значение, пока неизвестно. Физические связи между нейронами относительно устойчивы и не способны полностью перестраиваться всякий раз, когда человек переключает внимание или пытается что-то вспомнить. Электрическая активность меняет пространственный рисунок за доли секунды. Поэтому исследователи рассматривают волны как возможный способ быстро определять, какие группы нейронов будут работать согласованно в конкретный момент.
Косвенную поддержку такой идеи дали отдельные эксперименты на мышах. Учёные также обнаружили вращающиеся волны, синхронизированные между полушариями и между сенсорными и двигательными областями. В сенсорной коре направление части аксонов образовывало сходную круговую структуру, а нарушение соответствующих нервных цепей ослабляло вращающиеся волны. Результаты на животных не доказывают, что человеческий мозг использует тот же механизм для памяти, но показывают, что спиральные рисунки могут быть связаны с реальным устройством нейронных сетей, а не возникать только как математическая особенность записи.
Причинную роль волн в памяти исследователи пока не доказали. Часть нейробиологов считает бегущие волны механизмом, который помогает координировать работу удалённых областей, другие рассматривают их прежде всего как следствие согласованного возбуждения нейронов. Есть и техническое ограничение: электроды находились только там, где требовались для лечения эпилепсии, поэтому запись охватывала отдельные участки коры, а не весь мозг одновременно.
