Нейронные имплантаты в изучении мозга

19

Мозг — загадка, не меньшая чем жизнь. Если мы сможем понять принципы его работы, это, возможно, приблизит нас к пониманию, для чего нам вообще нужен мозг и как мозг воспринимает реальность? Этим вопросам посвящена большая статья «Ловушки мозга» в научно-популярном журнале Евангелие от науки.

Ученые давно занимаются фундаментальными вопросами, которые касаются работы мозга. Новое исследование, проведенное учеными из Калифорнийского университета в Сан-Диего, делает первый шаг к ответу на некоторые из них — как разные части мозга взаимодействуют друг с другом во время обучения и формирования памяти?

Исследование стало возможным благодаря разработке нейронного имплантата, который одновременно отслеживает активность различных частей мозга, от поверхности до глубоких структур. Ученые использовали имплантат для мониторинга активности гиппокампа и коры головного мозга у трансгенных мышей.

Мозг - иллюстрация

Иллюстрация pixabay

Универсальный имплантат

Используя новую технологию, выяснилось, что между двумя областями мозга, которые, как известно, играют роль в обучении и формировании памяти, — гиппокампом и корой головного мозга, возникают паттерны двусторонней связи.

Исследование также показывает, что эти различные паттерны общения связаны с явлениями, называемыми резкими волнами, которые возникают в гиппокампе во время сна и отдыха. Исследование опубликовано 19 апреля в Nature Neuroscience.

«Эта технология была разработана специально для изучения взаимодействий и коммуникаций между различными областями мозга одновременно», — сказал соавтор исследования Дуйгу Кузум, профессор электротехники и компьютерной инженерии в Калифорнийском университете в Сан-Диего.

Наш нейроимплант универсален; он может применяться к любой части мозга и может позволить изучить другие корковые и подкорковые области мозга, а не только гиппокамп и кору головного мозга.

«Мало что известно о том, как различные области мозга работают вместе, чтобы генерировать познание и поведение», — сказал Такаки Комияма, профессор нейробиологии Калифорнийского университета в Сан-Диего, который является другим соавтором исследования.

В отличие от традиционного подхода к изучению различных областей мозга, новая технология, представленная в этом исследовании, позволит нам узнать, как мозг в целом работает для управления поведением и как этот процесс может быть нарушен при неврологических расстройствах.

Как устроен нейроимплант?

Нейронный имплантат состоит из тонкой прозрачной гибкой полимерной полосы, изготовленной из набора золотых электродов микрометрового размера, на которые нанесены наночастицы платины. Каждый электрод подключается тонким проводом микрометров к печатной плате, изготовленной на заказ.

Нейронный имплант

Нейронный имплантат разработанный лабораторией профессора Кузума совместно с лабораторией профессора Комиямы

Уникальность этого нейронного имплантата заключается в том, что его можно использовать для одновременного мониторинга активности в нескольких областях мозга. Он может записывать электрические сигналы от одиночных нейронов глубоко внутри мозга, например, в гиппокампе, при этом визуализируя большие области, такие как кора головного мозга.

«Наш зонд позволяет нам легко комбинировать эти методы в одном эксперименте. Этого нельзя сделать с помощью современных технологий», — сказал Синь Лю, студент в лаборатории Кузума, соавтор исследования вместе с Чи Рен, в прошлом доктором биологических наук Калифорнийского университета в Сан-Диего.

Особенности нейроимпланта

Конструктивные особенности нейроимплантата делают возможным мониторинг в нескольких отделах мозга. Во-первых, этот зонд гибкий. Когда он вводится глубоко в мозг для наблюдения за такой областью, как гиппокамп, часть, которая выступает из мозга, может быть согнута и освободить место для микроскопа, который будет опущен близко к поверхности, чтобы получить изображение коры головного мозга.

Обычные нейронные зонды жесткие, поэтому они мешают микроскопу; в результате их нельзя использовать для мониторинга глубоких структур мозга при визуализации поверхности мозга. И хотя нейронный зонд из Калифорнийского университета мягкий и гибкий, он спроектирован так, чтобы выдерживать изгиб во время введения.

Другой важной особенностью является то, что этот зонд является прозрачным, поэтому он дает микроскопу четкое поле зрения. Он также не создает теней или дополнительных искажений во время визуализации.

Цель этого исследования заключалась в том, чтобы выяснить, как различные когнитивные процессы, такие как обучение и формирование памяти, происходят в мозгу. Такие процессы включают связь между гиппокампом и корой головного мозга. Но как именно происходит это взаимодействие? И какая часть мозга инициирует это общение: гиппокамп или кора головного мозга?

По словам Кузума, эти вопросы остались без ответа, потому что очень трудно одновременно изучать эти две области мозга. «Мы были заинтересованы в изучении природы кортикально-гиппокампальных взаимодействий, поэтому мы создали технологию для изучения этой проблемы нейробиологии».

Перспективы исследования

Исследователи использовали свой зонд для мониторинга активности гиппокампа и коры головного мозга у трансгенных мышей. В частности, они отслеживали активность до, во время и после колебаний, возникающих в гиппокампе, называемых резкими волнами.

Их эксперименты показали, что связь между гиппокампом и корой головного мозга двусторонняя: иногда кора головного мозга инициирует коммуникацию, а иногда — гиппокамп. По словам исследователей, это первый важный ключ к пониманию межобластной коммуникации и взаимодействия в мозге.

Гиппокампально-кортикальное взаимодействие важно для консолидации и восстановления памяти. Наше исследование показывает, что общепринятое представление о том, что кора головного мозга пассивно получает информацию от гиппокампа — неверно. Вместо этого кора головного мозга активно участвует в кодировании информации в головном мозге и может играть поучительную роль во время консолидации и восстановления памяти.

«Теперь мы можем начать новые исследования, чтобы узнать, как происходят такие процессы, как обучение и память», — сказал Кузум. Например, когда мозг получает новую информацию, как гиппокамп передает память в кору для хранения, или кора посылает сигнал для передачи памяти?

Исследование также показывает, что между гиппокампом и корой головного мозга существуют различные способы связи. Исследователи обнаружили, что гиппокамп взаимодействует как минимум с восемью различными частями коры головного мозга каждый раз, когда возникает резкая волна. Кроме того, каждый из этих паттернов корковой активности привязан к разной популяции нейронов в гиппокампе.

Результаты показывают, что взаимодействия между частями мозга, а не только между корой и гиппокампом, могут быть фундаментально разнообразными. Следовательно, несколько областей мозга могут эффективно работать вместе, генерируя познание и поведение, которые быстро адаптируются к меняющейся среде.

5/5 - (7 голосов)
Нашли ошибку в текстах? Выделите слово с ошибкой мышкой и нажмите Ctrl и Enter.
Предыдущая статьяИндия стала эпицентром COVID-19
Следующая статьяДолжно ли в мире существовать зло?