Мозг никогда не спит. По его коре постоянно циркулируют нервные импульсы двух типов — одни несут информацию от органов чувств («снизу вверх»), другие — прогнозы, ожидания и внутренние модели мира («сверху вниз»). До сих пор ни один метод нейровизуализации не мог различить эти два потока в реальном времени.
Команда Фонда Шампалимо в Лиссабоне назвала свою разработку uFLARE (UltraFast Layer-Resolved Encoding). Это метод нейровизуализации с беспрецедентным временным и пространственным разрешением. Чтобы его реализовать, понадобился экспериментальный МРТ-сканер с магнитным полем 9,4 Тесла (для сравнения, в обычных медицинских томографах поле составляет 1−3 Тесла). Этот прибор позволил снимать активность мозговых цепей с временным разрешением в десятки миллисекунд и субмиллиметровым пространственным разрешением.
Вторым ключевым компонентом стала вычислительная двунаправленная модель того, как информация течет между разными отделами мозга. Исследователи сосредоточились на зрительной коре, которая организована в шесть различных слоев. Известно, что восходящие (сенсорные) сигналы из таламуса адресуются преимущественно к слою IV зрительной коры, а нисходящие (от высших зрительных областей к первичной зрительной коре) — к слоям I и VI.
Модель, которую использовала команда, называлась «слоевая связующая полевая модель». Она предсказывает активность нейронов-мишеней в конкретном слое на основе сигналов из другой части мозга. Ключевой параметр — «размер связующего поля»: большая величина означает, что данная популяция нейронов получает информацию от обширной группы нейронов из другой области.
Прогноз модели был четок: для восходящих сигналов размер связующего поля достигает максимума в промежуточных слоях зрительной коры, а для нисходящих — максимален в самых верхних (I) и самых глубоких (VI) слоях. Когда исследователи извлекли из полученных огромных последовательностей фМРТ-изображений информацию о размере и распределении связующих полей, она в точности совпала с предсказаниями модели. Иными словами, сигнатура восходящих сигналов оказалась радикально отличной от сигнатуры нисходящих, что позволило впервые по изображениям определить направление информационного потока.
Ученые показали, что метод применим и к другим областям мозга (например, к соматосенсорной и моторной коре), что указывает на общий принцип кортикальной коммуникации.
При аутизме, болезни Паркинсона, Альцгеймера и многих других состояниях все, что мы сейчас можем сказать — пути восходящей и нисходящей активности меняются. Но мы не знаем, как это происходит и что именно меняется. Наш метод позволяет изучать изменения в направленности информационного потока. Это новый взгляд на активность мозга
Открытие опубликовано в научном журнале Nature Communications.
Ранее Наука Mail рассказывала, как анализ тысяч томограмм позволил определить характерные изменения в мозге при психических расстройствах.
