Десятилетиями учёные придерживались гипотезы, что 86 млрд нейронов в мозге, соединённых триллионами связей, должны управлять деятельностью мозга, и нам нужно лишь знать схемы этих связей, чтобы раскрыть тайны, окружающие наш мозг.
Однако новое исследование, опубликованное в журнале Nature, поставило под сомнение эту теорию и предложило новую гипотезу: форма мозга на самом деле влияет на такие виды деятельности мозга, как мышление, чувства, поведение и т. д.
Новаторское исследование
Исследование, проведённое Университетом Монаша, Австралия, было основано на гипотезе о том, что нервная система не является исключением из динамики многих природных систем, которая ограничена их базовой структурой.
Например, морфология белков определяет, с какими молекулами они будут взаимодействовать; форма дна реки формирует подводные течения; форма барабанов влияет на их акустические свойства.
Поэтому учёные провели эксперимент, в котором 255 человек выполняли задания, например, постукивали пальцами, и сделали магнитно-резонансную томографию (МРТ) их мозга.
После этого они собрали 10 тыс. различных карт мозговой активности человека из других подобных экспериментов по всему миру и создали компьютерную модель связи между размером мозга и мозговыми волнами.
Они сравнили эту модель с предыдущей существующей моделью, которая согласует активность мозга с деятельностью нейронов как ключом к функции мозга, и обнаружили, что новая модель действительно показывает лучшую реконструкцию активности мозга на МРТ-сканах.
Ведущий автор исследования Джеймс Пан, научный сотрудник Университета Монаша, сравнил волны мозга с эффектом ряби в пруду, по аналогии с тем, что форма и размер пруда определяют вид ряби.
«Геометрия очень важна, потому что она определяет, как будет выглядеть волна, что, в свою очередь, связано с паттернами активности, которые вы видите, когда люди выполняют различные задачи», — сказал Пан в интервью NBCNews.
Собственные моды: новый аспект исследования
Авторы утверждают, что они использовали паттерны, известные как «собственные моды».
Собственные моды возникают из концепции собственных значений и собственных векторов в линейной алгебре, а в контексте физической системы собственные значения соответствуют частотам, на которых система может колебаться, а собственные векторы описывают пространственное распределение или структуру колебаний.
Например, если мы посмотрим на вибрирующую струну, закреплённую на обоих концах, собственные моды струны представляют собой различные способы, которыми она может колебаться с определёнными частотами и узорами.
Собственные моды актуальны в различных областях науки и техники, включая электромагнетизм, акустику, структурную и квантовую механику, и используются для понимания поведения и свойств сложных систем и анализа реакции этих систем на внешние стимулы или граничные условия.
Два автора этого исследования, Джеймс Пан и Алекс Форнито, в статье для журнала The Conversation объясняют, как именно они применили концепцию собственных мод в своей работе.
«Мы обнаружили эту тесную связь между формой и функцией, изучив естественные паттерны возбуждения, которые могут поддерживаться анатомией мозга. В этих паттернах, называемых „собственными модами“, различные части мозга возбуждаются на одной и той же частоте», — сказали они.
Рассмотрим музыкальные ноты, воспроизводимые скрипичной струной. Ноты возникают в результате предпочтительных колебаний струны, которые происходят на определённых резонансных частотах. Эти предпочтительные модели являются собственными модами струны. Они определяются физическими свойствами струны, такими как её длина, плотность и натяжение.
Подобным образом мозг имеет свои собственные предпочтительные модели возбуждения, которые определяются его анатомическими и физическими свойствами. Мы задались целью определить, какие конкретные анатомические свойства мозга наиболее сильно влияют на эти паттерны.
Исследователи пришли к выводу, что форма мозга является более точной для оценки мозговой активности.
«Мы попытались описать каждую карту активности с помощью собственных мод, основанных на связности мозга, и собственных мод, основанных на форме мозга. Мы обнаружили, что собственные моды, основанные на форме мозга, а не на связности, наиболее точно описывают эти различные паттерны активации», — сказали Пан и Форнито.
Однако нейробиолог Дэвид Ван Эссен, профессор Вашингтонского университета в Сент-Луисе, считает, что большинство исследователей по-прежнему верят в первоначальную гипотезу о том, что активность мозга обусловлена связью нервных клеток, и особенно их аксонов, которые действуют как провод в процессе передачи информации между нервными клетками.
«Фундаментальная исходная гипотеза заключается в том, что проводка мозга играет центральную роль в понимании того, как функционирует мозг», — сказал Ван Эссен в интервью NBC.
Ван Эссен скептически относится к этим новым выводам. Он высказывает опасение, что модели основаны на средней форме мозга участников, в то время как в реальности существует разница в рисунке складок поверхности мозга.
«Было бы преуменьшением сказать, что это спорная теория, и её действительно нужно испытать, чтобы критически оценить, выдерживает ли она испытание временем», — сказал он.
Ван Эссена также беспокоит точность показаний МРТ, когда речь идёт об устройстве мозга.
«Какой бы захватывающей и информативной ни была эта технология, она всё ещё неточна в фундаментальных аспектах и неполна, и многое ещё предстоит выяснить в ходе будущих исследований», — сказал он о технологии МРТ.
Преимущества данного исследования
Однако исследователи заявили, что новое исследование не умаляет роли коммуникации между нервными клетками, но вносит вклад в понимание ключевой роли формы мозга во всём процессе.
«Работа показывает, что форма имеет более сильное влияние, но это не говорит о том, что связь не важна», — пояснил Пан.
Он отметил, что новая гипотеза имеет значительное преимущество в том, что форму мозга гораздо легче измерить, чем мозговую проводку, поэтому оценка изгибов и размера мозга может помочь дальнейшим исследованиям в различных направлениях, например, о роли формы мозга для развития неврологических и психиатрических заболеваний.
Ещё одним преимуществом может стать возможность измерения скорости прохождения мозговых волн в различных частях мозга, что может предсказать, как люди обрабатывают информацию, и может помочь в лечении таких заболеваний, как депрессия и шизофрения, считает Пан.
Тем не менее Пан считает, что эти исследования сильны и в отношении индивидуальной базовой формы мозга.
«Мы совершенно уверены, что влияние действительно есть», — сказал он в интервью NBC.
«Наш подход опирается на многовековую работу в физике и инженерии. В этих областях функция системы понимается в зависимости от ограничений, накладываемых её структурой, воплощённой собственными модами системы», — написал Пан для ScienceAlert.
«Этот подход традиционно не используется в нейронауке. Вместо этого типичные методы картирования мозга опираются на сложную статистику для количественной оценки активности мозга без какой-либо ссылки на физическую и анатомическую основу этих паттернов».
Они утверждают, что новый подход открывает возможности для изучения того, как форма мозга влияет на его функции в процессе эволюции, развития, старения и заболеваний мозга.
«Наше открытие также даёт непосредственную практическую пользу, поскольку собственные моды формы мозга гораздо проще оценить количественно, чем связи мозга», — говорят исследователи.
Ирина Антонова имеет степень магистра в области генетики (Болгария) и доктора философии в области биотехнологии (Австралия).
__________
Чтобы оперативно и удобно получать все наши публикации, подпишитесь на канал Epoch Times Russia в Telegram
