streszczenie: Pola elektryczne, generowane przez aktywność neuronów, odgrywają ważną rolę w koordynowaniu funkcji mózgu, podobnie jak dyrygent prowadzący orkiestrę.
Kiedy zwierzęta brały udział w grach pamięci roboczej, naukowcy zaobserwowali, że informacje w dwóch ważnych obszarach mózgu były koordynowane przez pojawiające się pole elektryczne. Zaobserwowano, że pole to kieruje aktywnością neuronów, wpływając na fluktuacje napięcia w błonach komórkowych neuronów.
Odkrycia podkreślają kluczową wiedzę na temat działania mózgu, potencjalnie poprawiając projektowanie protez kontrolowanych przez mózg.
Kluczowe fakty:
- Badania pokazują, że pola elektryczne powstające w wyniku elektrycznej aktywności neuronów koordynują informacje w różnych regionach mózgu podczas zadań poznawczych.
- Naukowcy wykorzystali zaawansowane modele matematyczne, aby udowodnić, że pola elektryczne mają silny wpływ przyczynowy na aktywność neuronów.
- Wyniki te mogą znacznie usprawnić projektowanie urządzeń interfejsu mózg-komputer (BCI) i poprawić zrozumienie funkcjonowania mózgu.
źródło: Instytut Technologii w Massachusetts
Metafora „obwodu” mózgu jest tak samo niepodważalna, jak znana: neurony tworzą bezpośrednie fizyczne połączenia, aby tworzyć funkcjonalne sieci, na przykład do przechowywania wspomnień lub tworzenia pomysłów. Ale metafora jest również niepełna.
Co napędza te kręgi i sieci do zbieżności? Nowe dowody wskazują, że przynajmniej część tej koordynacji pochodzi z pól elektrycznych.
Nowe badanie w otwartym dostępie w Kora mózgowa Pokazuje, że gdy zwierzęta grały w gry pamięci roboczej, informacje o tym, co pamiętały, były koordynowane w dwóch głównych obszarach mózgu przez pole elektryczne, które powstało z podstawowej aktywności elektrycznej wszystkich uczestniczących neuronów.
Pole z kolei wydaje się napędzać aktywność neuronów lub wahania napięcia widoczne na błonach komórkowych.
Jeśli neurony są muzykami w orkiestrze, obszary mózgu są ich podziałami, a pamięć jest wytwarzaną przez nie muzyką, to pole elektryczne jest dyrygentem – twierdzą autorzy badania.
Fizyczny mechanizm, za pomocą którego dominujące pole elektryczne wpływa na potencjał błonowy neuronów składowych, nazywa się sprzężeniem adhezyjnym.
Te napięcia błonowe mają fundamentalne znaczenie dla aktywności mózgu. Kiedy przekracza próg, neurony „w górę”, wysyłając sygnał elektryczny, który wysyła sygnały do innych neuronów za pośrednictwem połączeń zwanych synapsami.
Ale każda ilość aktywności elektrycznej może przyczynić się do panującego pola elektrycznego, które również wpływa na skok, mówi starszy autor badań, Earl K. Miller, profesor Picower na Wydziale Nauk o Mózgu i Kognitywistyce MIT.
„Wiele neuronów korowych spędza dużo czasu wahając się na krawędzi kolca” – mówi Miller. Zmiany w polu elektrycznym wokół nich mogą popchnąć je w jedną lub drugą stronę. Trudno sobie wyobrazić ewolucję, która by tego nie wykorzystała”.
W szczególności nowe badanie wykazało, że pola elektryczne napędzają aktywność elektryczną sieci neuronów w celu wytworzenia wspólnej reprezentacji informacji przechowywanej w pamięci roboczej, mówi główny autor Dimitris Pinoutsis, profesor nadzwyczajny na City University London i badacz w Bequewer Institute for Learning and Memory.
Zauważył, że odkrycia mogą poprawić zdolność naukowców i inżynierów do odczytywania informacji z mózgu, co może pomóc w projektowaniu protez kontrolowanych przez mózg dla osób z paraliżem.
„Korzystając z teorii systemów złożonych i kalkulacji matematycznych metodą ołówka i papieru, przewidzieliśmy, że pola elektryczne mózgu kierują neurony do wytwarzania wspomnień” – mówi Benoutsis.
Nasze dane eksperymentalne i analizy statystyczne potwierdzają tę prognozę. Jest to przykład tego, w jaki sposób matematyka i fizyka rzucają światło na obszary mózgu i jak mogą dostarczyć wglądu w budowanie urządzeń interfejsu mózg-komputer (BCI). „
Dominują pola
W badaniu z 2022 roku Miller i Pinotsis opracowali biofizyczny model pól elektrycznych generowanych przez aktywność elektryczną neuronów. Wykazali, że zagregowane pola pochodzące z grup neuronów w regionie mózgu były bardziej niezawodnymi i stabilnymi reprezentacjami zwierząt informacyjnych wykorzystywanych w grach pamięci roboczej niż aktywność elektryczna poszczególnych neuronów.
Neurony są nieco kapryśnymi urządzeniami, których fluktuacje powodują asymetrię informacji zwaną „dryfem reprezentacji”. W opinii opublikowanej na początku tego roku naukowcy postawili również hipotezę, że oprócz neuronów pola elektryczne wpływają na infrastrukturę molekularną mózgu i dostrajają ją tak, aby mózg skutecznie przetwarzał informacje.
W nowym badaniu Benoutsis i Miller rozszerzyli zapytanie, aby zapytać, czy sprzężenie adhezyjne propaguje rządzące pole elektryczne w wielu obszarach mózgu, tworząc sieć pamięci lub „engram”.
Rozszerzyli więc swoje analizy, aby spojrzeć na dwa obszary mózgu: przednie pola oka (FEF) i dodatkowe pola oka (SEF). Te dwa regiony, które rządzą dobrowolnymi ruchami oczu, były związane z operacyjną grą pamięciową, w którą bawiły się zwierzęta, ponieważ w każdej rundzie zwierzęta widziały obraz na ekranie ustawionym pod pewnym kątem wokół środka (jak cyfry na zegarze). Po krótkim opóźnieniu mieli spojrzeć w tym samym kierunku, w którym znajdował się obiekt.
Gdy zwierzęta bawiły się, naukowcy rejestrowali lokalne potencjały pola (LFP, miara lokalnej aktywności elektrycznej) wytwarzane przez dziesiątki neuronów w każdym obszarze. Naukowcy przekazali te zarejestrowane dane LFP do modeli matematycznych, które przewidywały indywidualną aktywność neuronów i ogólne pola elektryczne.
Modele pozwoliły Pinotsisowi i Millerowi obliczyć, czy zmiany w polach przewidywały zmiany potencjału błonowego, czy też zmiany w tej aktywności przewidywały zmiany w polach.
Aby przeprowadzić tę analizę, wykorzystali metodę matematyczną zwaną przyczynowością Grangera. Ta analiza wykazała jednoznacznie, że w każdym regionie domeny miały silny wpływ przyczynowy na aktywność neuronów, a nie odwrotnie.
Zgodnie z ubiegłorocznymi badaniami, analiza wykazała również, że miary siły uderzenia pozostały bardziej stabilne dla pól niż dla aktywności neuronowej, co sugeruje, że pola były bardziej wiarygodne.
Następnie naukowcy zbadali związek przyczynowy między dwoma obszarami mózgu i odkryli, że to pola elektryczne, a nie aktywność neuronów, niezawodnie odpowiadają za transmisję informacji między FEF a SEF.
Mówiąc dokładniej, odkryli, że transport zwykle przepływa z FEF do SEF, co jest zgodne z wcześniejszymi badaniami dotyczącymi interakcji tych dwóch regionów. FEF zwykle przoduje w inicjowaniu ruchu gałek ocznych.
Wreszcie Pinotsis i Miller wykorzystali inną technikę matematyczną zwaną analizą podobieństwa reprezentacji, aby ustalić, czy te dwa regiony faktycznie przetwarzają tę samą pamięć. Odkryli, że pola elektryczne, a nie aktywność neuronowa LFP, reprezentują te same informacje w obu regionach, łącząc je w sieć pamięci engramów.
Więcej implikacji klinicznych
Biorąc pod uwagę dowody na to, że pola elektryczne powstają w wyniku aktywności elektrycznej neuronów, a następnie napędzają aktywność neuronową w celu reprezentowania informacji, Miller spekulował, że być może jedną z funkcji aktywności elektrycznej w poszczególnych neuronach jest wytwarzanie pól, które następnie nimi rządzą.
„To ulica dwukierunkowa” — mówi Miller. „Elewacje i kraty są bardzo ważne. To podstawa. Ale potem pola się odwracają i wpływają na wysokość”.
Może to mieć ważne implikacje dla leczenia zdrowia psychicznego, mówi, ponieważ to, czy impuls neuronów wpływa na siłę ich połączeń, a tym samym na funkcję tworzonych przez nie obwodów, jest zjawiskiem zwanym plastycznością synaptyczną.
Miller zauważa, że techniki kliniczne, takie jak przezczaszkowa stymulacja elektryczna (TES), zmieniają pola elektryczne mózgu. Jeśli pola elektryczne nie tylko odzwierciedlają aktywność neuronów, ale skutecznie ją modulują, techniki TES można wykorzystać do zmiany obwodów. Mówi, że odpowiednio zaprojektowane manipulacje polem elektrycznym mogą pewnego dnia pomóc pacjentom w ponownym połączeniu wadliwych obwodów.
Finansowanie: Fundusze na badania pochodziły z brytyjskich badań i innowacji, Biura Badań Marynarki Wojennej Stanów Zjednoczonych, Fundacji JPB i Instytutu Picower.
Informacje o tych wiadomościach z badań neurologicznych
autor: Dawid Orenstein
źródło: Instytut Technologii w Massachusetts
Komunikacja: Davida Orensteina z Massachusetts Institute of Technology
zdjęcie: Zdjęcie przypisane do Neuroscience News
Oryginalne wyszukiwanie: otwarty dostęp.
„Sprzężenie efaptyczne in vivo umożliwia tworzenie sieci pamięciPrzez Earla Millera i in. Kora mózgowa
podsumowanie
Sprzężenie efaptyczne in vivo umożliwia tworzenie sieci pamięci
Coraz wyraźniej widać, że wspomnienia są rozmieszczone w wielu regionach mózgu. Kompleksy engramowe są ważnymi cechami tworzenia i utrwalania pamięci.
Tutaj testujemy hipotezę, że kompleksy engramowe są częściowo kształtowane przez pola bioelektryczne, które rzeźbią i kierują aktywnością neuronów oraz łączą ze sobą regiony uczestniczące w kompleksach engramowych. Podobnie jak dyrygent orkiestry, pola wpływają na każdego muzyka lub neuron i regulują wyjście, symfonię.
Nasze wyniki wykorzystują teorię synergii, uczenie maszynowe i dane z zadania sakkady opóźnienia przestrzennego i dostarczają dowodów na sprzężenie in vivo w reprezentacjach pamięci.
