В мозгу человека наблюдается более параллельный «трафик», чем у животных

В исследовании, сравнивающем коммуникационные сети человеческого мозга с сетями макак и мышей, исследователи EPFL обнаружили, что только человеческий мозг передает информацию несколькими параллельными путями, что дает новое понимание эволюции млекопитающих.

Описывая сети мозговой коммуникации, старший научный сотрудник EPFL Алессандра Гриффа любит использовать метафоры путешествий. Мозговые сигналы передаются от источника к цели, создавая полисинаптический путь, который пересекает несколько областей мозга «как дорога со множеством остановок на своем пути».

Она объясняет, что структурные пути связи мозга уже наблюдались на основе сетей («дорог») нейронных волокон. Но будучи ученым из Лаборатории обработки медицинских изображений (MIP:Lab) Инженерной школы EPFL и координатором исследований в Центре памяти Ленаардса CHUV, она хотела проследить закономерности передачи информации, чтобы увидеть, как сообщения отправляются и принимаются.

В исследовании, недавно опубликованном в журнале Nature Communications, она работала с главой MIP:Lab Дмитрием Ван де Виллем и научным сотрудником SNSF Ambizione Энрико Амико над созданием «карт мозгового трафика», которые можно было бы сравнить между людьми и другими млекопитающими.

Для этого исследователи использовали данные диффузии из открытых источников (DWI) и функциональной магнитно-резонансной томографии (фМРТ) людей, макак и мышей, которые были собраны, когда испытуемые бодрствовали и находились в состоянии покоя. Сканирование DWI позволило ученым реконструировать «дорожные карты» мозга, а фМРТ-сканирование позволило им увидеть, как различные области мозга светятся вдоль каждой «дороги», что указывало на то, что эти пути передают нейронную информацию.

Они проанализировали данные мультимодальной МРТ, используя теорию информации и графов, и ученые говорят, что именно эта новая комбинация методов дала новые идеи.

«Новым в нашем исследовании является использование мультимодальных данных в единой модели, объединяющей две области математики: теорию графов, которая описывает полисинаптические «дорожные карты»; и теорию информации, которая отображает передачу информации (или «движение») по дорогам. …Основной принцип заключается в том, что сообщения, передаваемые от источника к цели, остаются неизменными или ухудшаются на каждой остановке по дороге, как в телефонной игре, в которую мы играли в детстве».

Подход исследователей показал, что в нечеловеческом мозге информация передавалась по одной «дороге», в то время как у людей существовало несколько параллельных путей между одним и тем же источником и целью. Более того, эти параллельные пути были столь же уникальны, как отпечатки пальцев, и их можно было использовать для идентификации людей.

«Такая параллельная обработка данных в человеческом мозге предполагалась, но никогда раньше не наблюдалась на уровне всего мозга», — резюмирует Алессандра Гриффа.

Потенциальные идеи для эволюции и медицины

Она говорит, что красота модели исследователей заключается в ее простоте и вдохновении на новые перспективы и направления исследований в области эволюции и вычислительной нейробиологии. Например, полученные результаты могут быть связаны с увеличением объема человеческого мозга с течением времени, что привело к появлению более сложных моделей связей.

«Мы могли бы предположить, что эти параллельные потоки информации допускают множественное представление реальности и способность выполнять абстрактные функции, специфичные для людей».

Она добавляет, что, хотя эта гипотеза является лишь умозрительной, поскольку исследование не включало тестирование вычислительных или когнитивных способностей испытуемых, это вопросы, которые она хотела бы изучить в будущем.

«Мы изучали, как передается информация, поэтому интересным следующим шагом было бы моделирование более сложных процессов, чтобы изучить, как информация комбинируется и обрабатывается в мозге для создания чего-то нового».

Как исследователь памяти и познания, она особенно заинтересована в использовании модели, разработанной в ходе исследования, для изучения того, может ли параллельная передача информации повысить устойчивость сетей мозга и потенциально сыграть роль в нейрореабилитации после травм головного мозга или в предотвращении снижения когнитивных функций при патологиях преклонного возраста.

«Некоторые люди стареют здоровым образом, в то время как у других наблюдается снижение когнитивных функций, поэтому мы хотели бы посмотреть, существует ли связь между этой разницей и наличием параллельных информационных потоков и можно ли их научить компенсировать нейродегенеративные процессы».