Мозг обрабатывает информацию, используя как медленные, так и быстрые токи. До сих пор исследователям приходилось использовать электроды, помещенные внутри мозга, чтобы измерить последний. Впервые исследователи из Charité — Universitätsmedizin Berlin и Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB) успешно визуализировали эти быстрые мозговые сигналы извне — и обнаружили удивительную степень вариабельности. Согласно их статье в PNAS , исследователи использовали особенно чувствительное устройство магнитоэнцефалографии, чтобы совершить этот подвиг.
Обработка информации внутри мозга — один из самых сложных процессов в организме. Нарушение этой обработки часто приводит к тяжелым неврологическим расстройствам. Таким образом, изучение передачи сигналов внутри мозга является ключом к пониманию множества заболеваний. Однако с методологической точки зрения это создает серьезные проблемы для исследователей. Желание наблюдать, как нервные клетки мозга работают «со скоростью мысли», но без необходимости размещать электроды внутри мозга, привело к появлению двух методов с высоким временным разрешением: электроэнцефалографии (ЭЭГ) и магнитоэнцефалографии (МЭГ). . Оба метода позволяют визуализировать деятельность мозга извне черепа. Однако результаты для медленных токов надежны, а для быстрых — нет.
Медленные токи, известные как постсинаптические потенциалы, возникают, когда сигналы, создаваемые одной нервной клеткой, принимаются другой. Последующее срабатывание импульсов (которые передают информацию нижестоящим нейронам или мышцам) порождает быстрые токи, которые длятся всего миллисекунды. Они известны как потенциалы действия. «До сих пор мы могли наблюдать нервные клетки только по мере того, как они получают информацию, а не по мере того, как они передают информацию в ответ на единичный сенсорный стимул», — объясняет д-р Гуннар Уотерстраат из отделения неврологии с экспериментальной неврологией Шарите в кампусе Бенджамина Франклина. «Можно сказать, что мы фактически ослепли на один глаз». Работая под руководством доктора Waterstraat и доктора Райнера Кёрбера из PTB, группа исследователей заложила основы, необходимые для изменения этого положения.
Они сделали это за счет значительного снижения системного шума, производимого самим устройством MEG. « Датчики магнитного поля внутри устройства MEG погружены в жидкий гелий, чтобы охладить их до -269 градусов C (4,2 К)», — объясняет д-р Кёрбер. «Для этого система охлаждения требует сложной теплоизоляции. Эта суперизоляция состоит из фольги с алюминиевым покрытием, которая производит магнитный шум и, следовательно, маскирует небольшие магнитные поля, например, связанные с нервными клетками. Теперь мы изменили конструкцию суперизоляции в таким образом, чтобы гарантировать, что этот шум больше не поддается измерению. Сделав это, нам удалось повысить чувствительность технологии MEG в десять раз ».
Исследователи использовали пример стимуляции нерва в руке, чтобы продемонстрировать, что новое устройство действительно способно записывать быстрые мозговые волны. В рамках своего исследования на четырех здоровых предметах исследователи применили электрическую стимуляцию.к определенному нерву на запястье, одновременно располагая датчик МЭГ непосредственно над областью мозга, которая отвечает за обработку сенсорных стимулов, прикладываемых к руке. Для устранения внешних источников помех, таких как электрические сети и электронные компоненты, измерения проводились в одной из экранированных записывающих комнат PTB. Исследователи обнаружили, что таким образом они смогли измерить потенциалы действия, производимые небольшой группой одновременно активированных нейронов в коре головного мозга в ответ на отдельные стимулы.
«Впервые неинвазивный подход позволил нам наблюдать нервные клетки в мозге, отправляющие информацию в ответ на единственный сенсорный стимул», — говорит доктор Ватерстраат. «Одно интересное наблюдение заключалось в том, что эти быстрые мозговые колебания неоднородны по своей природе, но меняются с каждым стимулом. Эти изменения также происходили независимо от медленных мозговых сигналов. Существует огромное разнообразие того, как мозг обрабатывает информацию о прикосновении руки. , несмотря на то, что все применяемые стимулы идентичны ».
Тот факт, что теперь исследователи могут сравнивать индивидуальные реакции на стимулы, открывает перед неврологами возможность исследовать вопросы, которые ранее оставались без ответа: в какой степени такие факторы, как бдительность и усталость, влияют на обработку информации в мозге? А как насчет дополнительных стимулов, полученных одновременно? Высокочувствительная система МЭГ также может помочь ученым глубже понять неврологические расстройства и улучшить их лечение. Эпилепсия и болезнь Паркинсона — примеры расстройств, связанных с нарушениями в быстром мозге.сигнализация. «Благодаря этой оптимизированной технологии МЭГ наш набор инструментов для нейробиологии получил новый важный инструмент, который позволяет нам неинвазивно решать все эти вопросы», — говорит д-р Уотерстраат.