Селективное общение между областями мозга имеет решающее значение для функционирования мозга. Но слабая и разреженная связь мозга – большое препятствие. В течение последнего десятилетия нейробиологи определили различные средства, с помощью которых можно противодействовать этому ограничению. Теперь ученые из Ирана, Германии и Швеции определили новую роль двунаправленных связей в ускорении связи между областями мозга. Теперь они представили свои результаты в научном журнале PLoS Computational Biology.
По сути, есть два способа противодействия слабой и разреженной связности: синхронизация или колебания. В синхронном режиме многие нейроны соединяются (синхронно), когда они передают стимуляцию. Вместе они имеют более сильный комбинированный эффект в нисходящей сети, чем по отдельности. Напротив, в режиме колебаний сетевые колебания периодически увеличивают эффективную связность, модулируя мембранные потенциалы нижестоящих нейронов, которые получают стимуляцию.
Но колебания должны быть синхронизированы в сетях отправителя и получателя. "Остается открытым вопрос, как такие синхронные колебания могут возникать в мозгу. Некоторое время назад мы предположили, что резонансные свойства нейронных сетей могут быть использованы для генерации синхронизированных колебаний," говорит Ад Аэрцен из Бернштейнского центра Фрайбурга (BCF) Университета Фрайбурга. Резонанс в нейронной сети означает, что когда эта сеть стимулируется на определенной частоте, сеть начинает колебаться, и входной сигнал оказывает гораздо большее влияние. Эта идея получила название «общение через резонанс» (CTR).’
Однако CTR создал другую проблему. Для создания резонанса в сети требуется несколько циклов колебаний. Причем такой резонанс нужно создавать на каждой стадии ниже по потоку. Это означает, что связь между сетями довольно медленная. "Мы думали, что синхронность и колебания обеспечивают быстрый и медленный режимы связи соответственно. И то и другое можно использовать в разных ситуациях. Но мы по-прежнему настороженно относились к этой проблеме," объясняет Арвинд Кумар из Королевского технологического института (KTH) в Стокгольме, Швеция.
Возможный способ ускорить общение – сократить время, необходимое для создания резонанса. С этой целью группа сосредоточилась на анатомическом наблюдении двунаправленных связей между областями мозга. То есть не только нейроны из сети-отправителя проецируются на нейроны-получатели, но некоторые нейроны из сети-получателя также проецируются обратно в сеть-отправитель. "Таких двунаправленных соединений немного, но их достаточно для поддержки петли между сетями отправителя и получателя," объясняет Алиреза Вализаде из Института перспективных исследований фундаментальных наук в Зенджане, Иран. Важным следствием такой петли является то, что резонанс можно установить за меньшее количество циклов. Что еще более важно, петля может усиливать сигнал, и нет необходимости создавать резонанс в последующих слоях. Хедия Резаи, доктор наук.D. студентка Университета Зенджан и приглашенная студентка в BCF под эгидой ее исследовательского проекта говорит, "Примечательно, что такая петля соединений только между одной резонансной парой сетей отправителя и получателя может ускорить сетевое взаимодействие как минимум в два раза."
Эд Аэрцен заключает, "Эти новые открытия подтверждают идею «коммуникации через резонанс».Важно то, что эти результаты предполагают наличие двунаправленных связей между областями мозга в новой функции, а именно в формировании более быстрой и надежной связи между ними."