При изучаване на моментните колебания на сигналите от функционалния магнитен резонанс (фМРТ) на мозъчната кора на човека учени от Университета в Сидни и Университета Фудан откриха спираловидни вълни, разпространяващи се във външния слой на нервната тъкан. Те считат, че тези „мозъчни спирали“ помагат за организирането на мозъчната дейност и за обработката на когнитивната информация. Откритието им може да помогне за проектирането на машини, директно вдъхновени от човешкия мозък.
Кората на главния мозък е най-външният слой на мозъка и най-голямото място на невронна интеграция в централната нервна система (съдържа 14-16 милиарда неврона). Тя играе ключова роля в множество сложни когнитивни функции, като внимание, възприятие, осъзнаване, мислене, памет, език и съзнание. Мозъчните сигнали, открити от изследователите, са разпределени в цялата кора и са повсеместно разпространени както в покой, така и по време на когнитивни задачи.
Повечето изследвания в областта на невронауките се фокусират върху връзките и взаимодействията между невроните, за да се разбере как работи мозъкът. Но все повече учени изучават по-общите процеси в мозъка в опит да разгадаят неговите тайни.
„Широкомащабната човешка мозъчна дейност показва богати и сложни модели, но пространствено-времевата динамика на тези модели и тяхната функционална роля в познанието остават неясни“, обясняват изследователите в Nature Human Behaviour.
„Мостове“ за по-бързата обработка на информацията
При изучаване на изображения от функционален магнитен резонанс (Functional magnetic resonance imaging, fMRI) на мозъците на около стотина млади възрастни хора екипът за първи път открива тези странни мозъчни спирали, които се разпростират в мозъчната кора. Те са присъствали в мозъците на всички участници в изследването.
Точната им функция все още не е изяснена, но изглежда, че тези сигнали играят важна роля в организацията на мозъчната дейност и когнитивната обработка.
„Свойствата на тези мозъчни спирали, като например техните посоки и места на ротация, са от значение за изпълнението на задачите и могат да се използват за класифициране на различните когнитивни задачи“, отбелязват изследователите в своята научна работа.
Те отбелязаха, че спиралите на мозъка се въртят около централни точки, които те нарекоха „центрове на фазовата сингулярност„, а самите центрове се разпростират в кората на главния мозък, създавайки богата пространствено-времева динамика. Те отбелязват, че спиралите могат да се движат на разстояние до десет сантиметра в кората. Екипът съобщава също така, че разпределението на спиралите в лявото и дясното полукълбо показва известна симетрия; те са забелязали, че клъстерите от спирали с противоположни посоки на въртене са склонни да се намират в едни и същи функционални области на двете полукълба.
Оказва се, че спиралите най-често се появяват на границите, разделящи различните функционални мрежи на мозъка. Това местоположение предполага, че те могат да действат като „комуникационни мостове“, като ефективно свързват мозъчната дейност с различни области или мрежи от неврони в мозъка чрез ротационното си движение. Някои от наблюдаваните спирали са достатъчно големи, за да обхванат няколко подобни мрежи.
„Сложните взаимодействия между множество съжителстващи спирали могат да позволят невронните изчисления да се извършват по разпределен и паралелен начин, което води до изумителна изчислителна ефективност“, обяснява Пулин Гонг, доцент в Училището по физика към Факултета по естествени науки на Университета в Сидни и съавтор на изследването.
Към по-доброто разбиране на мозъка и неговите патологии
Изследователите откриха, че тези взаимодействащи си мозъчни спирали позволяват гъвкави промени в конфигурацията на мозъчната активност по време на различни задачи, свързани с обработката на естествения език и работната памет. Когато участниците в изследването са били помолени да изпълнят определени задачи (например да отговорят на математически въпрос или да слушат приказка), спиралите са променяли посоката си от дясна към лява в различни области на мозъка. Това предполага, че те координират мозъчната дейност чрез промяна на посоката на въртене. Разпределението им също зависи от изпълняваната задача.
Тъй като местоположението и посоката на мозъчните спирали зависят от конкретната задача, тези характеристики могат да се използват за надеждно класифициране на различните етапи на когнитивната обработка.
„Нашето изследване показва, че по-доброто разбиране на това как спиралите са свързани с когнитивната обработка може значително да подобри разбирането ни за динамиката и функциите на мозъка“, казва професор Гонг.
По-доброто разбиране на основните мозъчни функции може същевременно да ни помогне да определим по-добре ефектите от някои заболявания, като деменция или церебрална парализа, които пряко засягат мозъчната кора.
Но това не е всичко! Екипът счита, че тяхното откритие може да допринесе за разработването на сложни компютри, вдъхновени директно от сложната работа на човешкия мозък. Изследователите се надяват, че изследванията им ще насърчат други невролози да изучават мозъчните феномени в по-голям мащаб, за да получат по-добро разбиране за това как работи мозъкът.
