Механизм синхронизации ритмов головного мозга может дать ответы про болезни гиппокампа

Ученые из Института теоретической и экспериментальной биофизики РАН представили обзор современных концепций и эмпирических исследований механизма синхронизации между областями гиппокампа, который выражается во временном совпадении биологических ритмов мозга при выполнении когнитивных задач (поведение, внимание). Понимание этого механизма, возможно, укажет мишени для терапии при патологических состояниях связанных с головным мозгом. Результаты работы опубликованы в майском номере журнала HIPPOCAMPUS.

Наш мозг состоит из нервных клеток — нейронов, которые постоянно общаются друг с другом, передавая от одного другому информацию, закодированную в виде электрических импульсов. Это позволяет мозгу ежедневно выполнять свои функции: обеспечивать двигательную активность, речь, процесс мышления, восприятие зрительной и слуховой информации, ее понимание и запоминание.

В процессе эволюции сформировались энергетически эффективные механизмы записи и передачи данных в мозге. Электрическая активность нейронов меняется ритмически в нескольких частотных диапазонах, что выражается в колебаниях локального полевого потенциала. Для гиппокампа наиболее характерны тета-ритм (4-12 Гц) и гамма-ритм (30-90 Гц). Ритмы мозга необходимы для обработки информации в нейронных сетях. Колебания, регистрируемые в разных отделах мозга, могут синхронизироваться и следовать с постоянной разностью фаз, т.е. когерентно. Когерентность между сигналами локального полевого потенциала часто возникает во время выполнения когнитивных задач, из этого следует вывод, что эти области мозга совместно задействованы в выполнении задачи.

Биофизики из Пущино представили обсуждение проанализированных исследовании in vivo почему возникает эффект когерентности и как он соотносится с передачей информации между областями гиппокампа.

Работу прокомментировал научный сотрудник Лаборатории системной организации нейронов ИТЭБ РАН, кандидат биологических наук Иван Мысин: «Когерентность рассматривается на частотах тета-ритма и гамма-ритма, поскольку эти ритмы наиболее выражены во время процессов внимания и памяти, в которых участвует гиппокамп. Сигнал локального полевого потенциала возникает как результат электрических токов во внеклеточной среде, которые порождаются синхронной электрической активностью пирамидных нейронов. Нейроны в соседних областях мозга посылают сигналы друг другу и могут синхронизовывать свои колебания. Нейронные сети гиппокампа имеют склонность к ритмической активности, поэтому даже слабая связь между нейронами разных областей может приводить к синхронизации областей мозга за счет резонанса.

Роль когерентности на частотах тета-ритма состоит в синхронизации областей гиппокампа, медленный тета-ритм разбивает активность нейронных сетей гиппокампа на такты. Внутри этих тактов происходит обработка информации с помощью более быстрого гамма-ритма. Это подтверждается множеством исследований.

Рисунок. Схематическое представление формирования когерентной активности в двух нейронных сетях на гамма-частоте. На левой панели нарисованы две фазы гамма-ритма. На первом этапе (верхний рисунок) возбуждаются пирамидные нейроны. Они возбуждают локальные интернейроны и через проекции возбуждают интернейроны в другой области (возбуждение интернейронов выделено желтым цветом). Во время второй стадии (нижний рисунок) интернейроны в обеих областях синхронно генерируют потенциалы действия. Это приводит к синхронным тормозным постсинаптическим токам через мембраны пирамидных нейронов в двух областях. Затем это приводит к синхронным колебаниям локальных полевых потенциалов. Пирамидальные нейроны в обеих областях синхронизированы, и их последующее возбуждение также будет синхронным (верхний рисунок). На правой панели показаны некогерентные колебания локальных полевых потенциалов. Интернейроны в обеих областях работают асинхронно.

Когерентность на тета-частоте очень высока и слабо меняется в зависимости от когнитивной задачи. Когерентность на гамма-частотах наоборот очень изменчива, она то возникает, то исчезает. Считается, что когерентность на частотах гамма-ритма отражает связь активных нейронных ансамблей и отражает передачу информации между областями гиппокампа.

Таким образом, когерентность — это не эпифеномен, а важный физиологический процесс, имеющий определенные механизмы генерации и выполняющий функции в обработке и передаче информации в мозге».

На фото: с.н.с Лаборатории системной организации нейронов, к.б.н. Иван Мысин

Результаты исследования имеют большое значение не только для фундаментальной науки, но и для практического применения, так как гиппокамп поражается при эпилепсии и при болезни Альцгеймера. Понимание того, как работает гиппокамп, важно для разработки различных видов фармакологических или других воздействий.

Опубликованная работа стала первой попыткой критического анализа существующих публикаций, посвященных механизму взаимодействия между различными областями гиппокампа на тета- и гамма-частотах, и определения перспективного направления его практического использования.

При подготовке обзора ученые проанализировали более 150 публикаций за последние 30 лет, среди которых статьи в таких значимых научных журналах, как The Journal of Neuroscience, Cell Reports, Neuron, Nature, Neuroscience и др.

Исследования поддержаны грантом Российского фонда фундаментальных исследований (№ 20-71-10109).

Источник: Ivan Mysin, Liubov Shubina. From mechanisms to functions: The role of theta and gamma coherence in the intrahippocampal circuits. HIPPOCAMPUS. 2022 May;32(5):342-358. doi: 10.1002/hipo.23410.

https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/35192228/

Материал подготовила: Алсу Дюкина

Пресс-служба ИТЭБ РАН,