Краткое содержание: Группа исследователей Ратгерского университета и Корнельского университета картировали нейронные связи головного мозга 960 человек, чтобы выяснить, как объединяются быстрые и медленные нейронные процессы для формирования мышления человека. Они обнаружили, что внутреннее время обработки нейронных сигналов— характерная скорость обработки информации в каждой отдельной области мозга — напрямую формируется путями белого вещества, которые распределяют сигналы по всей области мозга. Паттерны интеграции быстрых и медленных процессов связаны с генетическими и молекулярными особенностями строения мозга. Исследования, проведенные на лабораторных мышах, также подтверждают фундаментальные нейробиологические основы полученных результатов. Результаты выявляют механистическую связь между архитектурой мозга, скоростью обработки информации и когнитивными способностями.
Основные факты
- Внутреннее время обработки: каждый отдел мозга обрабатывает информацию согласно своему внутреннему времени обработки, от быстрых сенсорных обновлений до медленных объединяющих сигналов.
- Объединяющие связи: Пути белого вещества связывают такие отделы коры головного мозга, позволяя быстрым и медленным процессам сходиться в общие согласованные процессы.
- Индивидуальные различия: Люди, чья нейронная сеть лучше поддерживает межвременную коммуникацию (сочетание быстрых и медленных отделов), демонстрируют более высокие когнитивные показатели.
Исследовательская группа: Ратгерский университет (Государственный университет Нью-Джерси) и Корнельский университет
Человеческий мозг постоянно обрабатывает информацию, которая поступает с разной скоростью — от мгновенных реакций на внезапные изменения окружающей среды до более медленных, рефлексивных процессов, таких как понимание контекста или смысла.
Различные отделы мозга специализируются на разных временных интервалах обработки информации, это свойство известно как внутренние нейронные временные масштабы, или сокращенно INT (intrinsic neural timescales).
«Чтобы влиять на окружающую среду посредством действий, наш мозг должен объединять информацию, обрабатываемую в разных временных масштабах», — говорит Линден Паркс (Linden Parkes), доцент кафедры психиатрии медицинского центра Rutgers Health и ведущий специалист исследовательской группы.
«Мозг объединяет процессы, используя связуемость белого вещества для обмена информацией между областями коры головного мозга, эта интеграция имеет решающее значение при развитии человека».
Чтобы исследовать, как работает эта интеграция, Паркс и его команда проанализировали мультимодальные данные нейровизуализации 960 человек. Они создали подробные карты связуемости отделов мозга для каждого человека из исследуемой группы, известные как коннектомы. А далее они применили математическое моделирование, описывающее, как сложные системы меняются со временем, чтобы понять, как информация передается по нейронным сетям.
«Наша работа исследует механизмы, лежащие в основе этого процесса у людей, путем прямого моделирования внутренних нейронных масштабов (INT) областей на основе их связуемости», — говорит Паркс, ведущий сотрудник Института здоровья мозга при Ратгерском университете и Центра передовых исследований в области нейровизуализации.
«Это устанавливает прямую связь между тем, как области мозга обрабатывают информацию локально, и тем, как эта обработка распределяется по всему мозгу для формирования поведения».
Исследователи из Ратгерского университета обнаружили, что распределение нейронных временных масштабов по коре головного мозга играет решающую роль в том, насколько эффективно мозг переключается между крупномасштабными паттернами активности, связанными с поведением. Важно отметить, что эта «переключаемость» варьируется у разных людей.
«Мы обнаружили, что различия в том, как мозг «наслаивает» информацию с разной скоростью, помогают объяснить, почему люди различаются по своим когнитивным способностям», — сказал Паркс.
Исследователи также обнаружили, что эти паттерны связаны с генетическими, молекулярными и клеточными особенностями отделов головного мозга, что подтверждает фундаментальные нейробиологические данные. Аналогичные взаимосвязи были ранее выявлены в мозге мышей, что предполагает сохранение таких механизмов работы мозга и у других биологических видов.
«Наша работа подчеркивает фундаментальную связь между связностью белого вещества мозга и его внутренними вычислительными свойствами», — сказал Паркс. «Люди, чья нейронная сеть лучше соответствует тому, как разные области обрабатывают быструю и медленную информацию, демонстрируют более высокие когнитивные способности».
Основываясь на полученных результатах, исследователи теперь расширяет свою работу, изучая нейропсихиатрические состояния, включая шизофрению, биполярное расстройство и депрессию, исследуя, как нарушения связности головного мозга могут изменять скорость обработки информации.
Исследование проводилось в сотрудничестве с Аврамом Холмсом (Avram Holmes), доцентом психиатрии и ведущим сотрудником Института здоровья мозга Рутгерса и Центра передовых исследований в области визуализации, а также с доцентами Ахмадом Беем (Ahmad Beyh) и Эмбер Хауэлл (Amber Howell); а также профессором Джейсоном Кимом (Jason Kim) из Корнельского университета.
Ответы статьи на ключевые вопросы:
В: Как мозг обрабатывает информацию, которая поступает с разной скоростью?
О: Разные области мозга работают в рамках внутренних нейронных временных масштабов, обрабатывая и «наслаивая» быструю или медленную информацию в зависимости от специализации отдела мозга.
В: Что исследователи обнаружили об этих временных масштабах и когнитивных процессах?
О: У людей, чья структура белого вещества хорошо согласуется с требованиями к быстрой и медленной обработке информации, наблюдается более эффективное переключение состояний мозга и более высокие когнитивные показатели.
В: Почему это исследование важно для понимания расстройств головного мозга?
О: Нарушения в организации временных масштабов могут изменять поток информации, предоставляя широкое поле для исследования таких психических отклонений, как шизофрения, биполярное расстройство и депрессия.
Оригинал статьи: в открытом доступе журнала Nature Communications.
“Inferring intrinsic neural timescales using optimal control theory” by Linden Parkes et al.
