Ученые выяснили, как максимально использовать ресурсы мозга

Нейроисследователи из Высшей школы экономики и университетской клиники Шарите в Берлине предложили новый многомерный метод, который предсказывает поведенческую реакцию на стимул на основе фазы нейрональных колебаний, регистрируемых при помощи электроэнцефалографии (ЭЭГ). Такой подход, связанный с возможным предъявлением стимула в наиболее чувствительные для его обработки мозгом временные интервалы, может в перспективе найти применение в различных областях, включая спорт, обучение и клиническое лечение. Результаты исследования опубликованы в статье «On optimal spatial filtering for the detection of phase coupling in multivariate neural recordings». 

Даже в состоянии покоя в мозге человека происходит генерация сложных паттернов нейрональных колебаний, которые можно зарегистрировать с помощью ЭЭГ.

Нейрональные осцилляции или нейронные колебания — это ритмичная или повторяющаяся нейронная активность в центральной нервной системе. Структуры мозга могут генерировать осцилляции различными путями, которые, как правило, основаны на взаимодествиях между нейронами.

Эти колебания имеют различные частоты (к примеру, альфа осцилляции ~ 10 Гц, бета ~ 20 Гц, тета ~ 7 Гц) и регистрируются приборами как изменения электрического поля, связанного с активацией нейронов. Одна из популярных гипотез связана с тем, что способность человека реагировать на различные стимулы и в целом перерабатывать информацию, зависит от того, на какую амплитуду или фазу нейрональных колебаний приходит сигнал.

«Представьте, что человеку в качестве стимулов предъявляются слова, которые ему нужно запомнить. Интересным представляется тот факт, что то, насколько хорошо он запомнит слово, может зависеть от параметров нейронального сигнала, предшествующего предъявлению слова. Или другой пример: время старта на стометровке у олимпийцев.  Реакция на стартовый выстрел может  колебаться в диапазоне десятков миллисекунд — довольно большой разброс, учитывая то, насколько важны эти самые миллисекунды на финише.  Даже у одного атлета время реакции на стартовый стимул может варьироваться очень существенно. То, насколько быстро спортсмен реагирует, может зависеть от того, в каком состоянии находился его мозг. В оптимальном для переработки информации состоянии мы реагируем на стимул быстрее, в неблагоприятном нейрональном состоянии — хуже. В свою очередь оптимальное состояние, приводящее к формированию быстрых реакций, связано со специфическими параметрами нейрональных осцилляций», — поясняет один из авторов статьи, ведущий научный сотрудник Центра нейроэкономики и когнитивных исследований ВШЭ Вадим Никулин. 

Факт, что реакция человека в ответ на стимул зависит от различных факторов, включая то, на какую фазу низкочастотных медленных колебаний пришелся стимул, был известен ученым ранее. Но сейчас исследователям удалось разработать новый многомерный метод, который основан на максимизации зависимости между фазой нейрональных колебаний и последующей поведенческой реакцией (например, времени реакции или запоминания сенсорного стимула и т.д.). Они анализировали активность мозга людей, записанную с помощью 90 электродов, и, в отличие от предыдущих работ, анализ учитывал многомерное распределение параметров нейрональных колебаний для более точного предсказания времени реакции.

Участники эксперимента должны были как можно быстрее реагировать на тактильный стимул. К указательному пальцу доминантной руки испытуемых крепился датчик, фиксирующий мышечную активность в ответ на предъявление электрического соматосенсорного стимула на указательный палец другой руки.  С помощью электроэнцефалограммы в тот же момент регистрировались нейрональные колебаний, которые присутствуют в мозге постоянно, но при этом демонстрируют большую вариативность. Авторы показали, что скорость реакции зависит от фазы престимульных низкочастотных (< 1 Гц) нейрональных колебаний.

По мнению ученых, новый метод является важным для выявления нейрональных процессов, приводящих к оптимальному реагированию на стимулы. В прикладном аспекте это может быть актуально для профессиональных спортсменов, а также для клиники, к примеру, для понимания патологических нейрональных процессов, связанных с болезнью Паркинсона, при которой больные испытывают сложности с запуском движения. «Используя более чувствительные методы экстракции нейрональных сигналов, мы можем найти те фазы нейрональных осцилляций, на фоне которых, люди максимально используют ресурсы своего мозга, — считает Вадим Никулин. — А если пофантазировать и заглянуть в ближайшее будущее, то можно представить и школу иностранного языка, где ученики сидят в удобных электродных шапочках и осваивают новые слова, которые предъявляются в периоды максимальной восприимчивости мозга к новой информации».

Пока модель протестирована на моторной парадигме, сейчас исследователи начали новый этап, связанный с изучением восприятия зрительных сигналов.

Author: Liudmila V. Mezentseva, August 28, 2017