Эти новые технологии, представленные на ежегодной конференции Общества когнитивной неврологии (CNS) в Нью-Йорке, отображают новое понимание познания и продвигают усилия по улучшению памяти и обучения у пациентов с когнитивными нарушениями.Подслушивание нейронов«Новая эра» электрофизиологии настала, — говорит Йозеф Парвизи из Стэнфордского университета, который председательствует на симпозиуме ЦНС по этой теме. «Мы получили гораздо более четкое представление об электрофизиологической активности мозга», используя методы, когда-то относившиеся к научной фантастике.За последнее десятилетие ученые собрали множество новых данных с помощью сеток датчиков, вставленных в верхние слои мозга. «Вы можете в основном подслушивать каждый миллиметр человеческого мозга в режиме реального времени, используя 300-400 датчиков, одновременно записывая данные с большой мантии человеческого мозга». Эти данные в сочетании с новыми методами сбора и обработки данных привели к взрывному росту исследований с участием людей.
«Просто сравните недавние исследования на людях и нечеловеческих приматах», — говорит Джорджи Бузаки из Нью-Йоркского университета (NYU). «В последнем случае используются 2 или 3 субъекта с менее чем 50 участками записи, и типичные статьи основаны на 100-200 нейронах. Напротив, наблюдения на людях сообщают о десятках пациентов и на порядок больше данных. чем у обезьян ».Бузаки, который присутствует на заседании CNS, работает над пониманием синтаксических правил мозга — как информация анализируется, упаковывается и передается. Он думает, что ответ кроется в самогенерируемых ритмах мозга.
Его работа показала, что почти все ритмы мозга сохраняются в процессе эволюции млекопитающих. Несмотря на 15000-кратное увеличение объема мозга от самого маленького до самого большого млекопитающего, «динамика мозговых ритмов заметно мало различается у разных видов», — говорит он.В новом исследовании Бузаки и его коллеги изучали эпилепсию у крыс, уделяя особое внимание интерктальным эпилептическим разрядам (СВУ). В отличие от эпилептических припадков, СВУ могут ухудшать память у пациентов с эпилепсией.
Новые результаты предполагают, что СВУ перехватывают физиологические закономерности, связанные с консолидацией памяти, в том числе во время сна.«Устранение СВУ было бы идеальным решением», — говорит Бузаки.
Если не считать этого, ученые смогут отделить СВУ от электрохимических сигналов, связанных с консолидацией памяти.Чтобы поддержать такие вмешательства, Бузаки работает над новым инструментом для записи и стимуляции сигналов от коры головного мозга. Масштабируемая система предлагает более высокое пространственное разрешение для поверхностных слоев коры и, в отличие от обычно используемых субдуральных сеток, располагается над мозгом, а не проникает в него.«Молодым студентам, изучающим когнитивную нейробиологию, повезло оказаться в разгаре новой эры, когда у нас есть доступ к удивительным новым научным инструментам для подслушивания популяции клеток с превосходным временным разрешением», — говорит Парвизи.
Стимуляторы при дефиците памяти«Заболевания мозга — растущая социально-экономическая проблема», — говорит Деян Маркович из Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе. Только черепно-мозговая травма (ЧМТ) и эпилепсия ежегодно затрагивают миллионы пациентов.
Нейромодуляция — регулировка электрохимических сигналов на нейронном уровне — предлагает потенциальное решение.Сегодняшние технологии не подходят для лечения сложных заболеваний на сетевом уровне, говорит Маркович: «Лекарства имеют очень ограниченный успех, что делает разработку новой технологии нейромодуляции для лечения когнитивных и психических расстройств основным медицинским и социальным приоритетом».
Решение этой проблемы является сложной задачей, поскольку мозг представляет собой чрезвычайно параллельную и сложную систему: около 10 слоев клеток находятся между областями мозга, которые управляют нашими чувствами, и нашей корой, где хранятся воспоминания. И каждая ячейка имеет тысячи точек подключения к другим ячейкам с несколькими ответвлениями.
С момента составления карты нейроанатомии нервных клеток в конце 1800-х годов ученые работали над тем, чтобы понять, как эти клетки динамически взаимодействуют.Некоторые ученые считают, что секрет кроется в коротких электрохимических импульсах, которыми обмениваются нейроны — языке мозга. В работе, ранее возможной только на животных, ученые теперь записывают эти сигналы непосредственно из мозга и в некоторых случаях пытаются стимулировать мозг этими сигналами, чтобы помочь пациентам с когнитивным дефицитом. Маркович — с междисциплинарной командой, включая национальные лаборатории Лоуренса Ливермора, Калифорнийский университет в Лос-Анджелесе и UCSF, а также грант от DARPA — работает над технологией платформы для такой стимуляции мозга.
Пациентам с эпилепсией обычно имплантируют электроды в мозг, чтобы помочь врачам определить место их припадков. Команда использует эти уже имплантированные электроды для записи и стимуляции активности отдельных нейронов и небольших популяций нейронов во время 2-3-недельной госпитализации пациентов. Некоторым пациентам устанавливают хронический имплант, в котором используются поверхностные и глубинные электроды для восприятия и стимуляции. Проект основан на прошлых работах, демонстрирующих укрепление памяти за счет стимуляции энторинальной области мозга, которая является воротами к долговременному хранению памяти в гиппокампе.
В то время как Маркович представляет на заседании CNS, команда начинает тестирование новой системы на животных, а где-то в этом году она проведет испытания на людях. Среди их целей для этой системы: массив электродов с более высокой плотностью, позволяющий более точно нацеливаться на нейроны, новые схемы записи, которые значительно увеличивают объем собираемых данных, и новая беспроводная технология питания и телеметрии, которая позволяет передавать данные в реальном времени. из мозга. Есть надежда разработать нейропротез, который мог бы помочь не только пациентам с эпилепсией и ЧМТ, но и тем, кто страдает депрессией, тревогой, посттравматическим стрессовым расстройством и другими психоневрологическими расстройствами.
По словам Марковича, познание становится особенно сложной задачей в качестве мишени этой технологии, в отличие от моторного поведения, потому что функция памяти представлена разреженными и частично перекрывающимися нейронными сетями, состоящими из миллионов нейронов. «Очевидно, что доступ ко всем этим нейронам с помощью интерфейса и технологии записи, которые у нас есть сегодня, невозможен, и клинические нейробиологи должны усердно работать, чтобы делать выводы на основе очень ограниченных данных, к которым они могут получить доступ», — говорит он. «Наша технология значительно повысит эффективность нейромодуляции и обеспечит доступ к более широкому кругу пациентов».Хотя работа Марковича и его коллег «на данном этапе вполне может быть научной фантастикой», — говорит Парвизи, — «их исследования определенно раздвинут границы, и все мы выиграем от этого».В эту новую эру больших нейронных данных «необходимы новый анализ и теория, чтобы разобраться в данных, ведущих к открытиям», — говорит Сяо-Цзин Ван из Нью-Йоркского университета.
Его работа сочетает экспериментальные данные с компьютерным моделированием колебаний в мозге, чтобы понять множество систем обратной связи в разных масштабах в пространстве и времени.