Координация нервной активности по широко распространенным сетям головного мозга существенна для познания человека. Ученые давно предполагали, что осцилляции в головном мозге, обычно измеряемые при исследовании целей, при стыковке головной мозг-компьютер и в клинических тестах, являются стационарными сигналами, которые возникают независимо в отдельных регионах головного мозга. Инженеры по биомед. оборудованию из Columbia Engineering открыли новое фундаментальное свойство осцилляций головного мозга: они в действительности перемещаются ритмически по головному мозгу, отражая паттерны нейрональной активности, которая распространяется по коре головного мозга.

"Мы также установили, что перемещающиеся волны движутся более отчетливо, когда субъекты subjects performed well while performing a working memory task," говорит Joshua Jacobs. "Это указывает на то, что перемещающиеся волны важны для памяти и познания -- наши находки показывают, что эти осцилляции являются важным механизмом для крупно-масштабной координации в головном мозге человека."

Jacobs' сотрудники изучали непосредственно записи головного мозга от 77 пациентов с эпилепсией, которым электроды помещали в широко распространенные области головного мозга для картирования судорог. При исследовании пациентов просили осуществить задачи на запоминание. При изучении записей головного мозга этих пациентов исследователи установили крупные регионы головного мозга у индивидуальных пациентов с "theta" и "alpha" осцилляциями, которые связаны с познанием, со специфическими частотами между 2 - 15 Hz. Эти осцилляции показывали, что нейроны в этом регионе ритмично активируются для поддержания познавательной деятельности, но специфическая роль, осуществляемая этими осцилляциями оставалась неясной.

Группа использовала два новых метода для анализа данных. Во-первых, они измеряли индивидуальные осцилляции одновременно от множества электродов, вместо использования более распространенного метода измерения каждой волны головного мозга в отдельности из разных мест. Во-вторых, они разработали новую аналитическую конструкцию, которая позволяла им измерять мгновенное перемещение каждой перемещающейся волны. Используя этот подход, они установили, что осцилляции это действительно путешествующие волны, которые движутся по коре головного мозга со скоростью 0.25-0.75 m/s.

"Путешествующие волны имеют отношение к поведению, поскольку их распространение коррелирует с целевыми событиями и они более последовательны, когда субъекты активно выполняют," говорит Honghui Zhang.

Находки данного исследования демонстрируют, что головной мозг использует нейрональные осцилляции для распространения информации по разным регионам головного мозга и что путем организации нейральных процессов в пространстве и времени, перемещающиеся волны играют важную роль в поддержании коммуникабельности головного мозга.

"Наше исследование показало, что когда ученые записывают осцилляции головного мозга, то нейральная активность осуществляет коммуникации в головном мозге," говорит Jacobs. "Итак, помимо открытия новых направлений в фундаментальных исследованиях головного мозга по коммуникациям и памяти, наша работа подтверждает, что клиницисты могут измерять паттерны перемещения волн, чтобы охарактеризовать коммуникабельность головного мозга индивида. Перемещающиеся волны подобно волнам в океане перемещаются по поверхности коры и могут также представлять новый тип сигналов, которые могут быть использованы для создания интерфейсов головной мозг-компьютер."

"Данная работа из лаб. Jacobs невероятно волнующая," говорит Kareem Zaghloul, an investigator at the National Institutes of Health's Functional and Restorative Neurosurgery Unit. "Исследование перемещающихся волн открывает новые направления изучения головного мозга, поскольку оно позволяет нам рассматривать не только то, что головной мозг из себя представляет, но и как информация перемещается по головному мозгу "

Jacobs теперь исследует. как перемещающиеся волны влияют на др. поведенческие реакции, включая пространственную навигацию и долговременную память. Его группа также разрабатывает новые методологии для тестирования существования др. типов осцилляций головного мозга, а также поведения перемещающихся волн.