Нейронные колебания мозга: типы и механизмы

Альтернативные названия: мозговая волна

Нейронные колебания — синхронизированные ритмические волны электрической активности производимые нейронами в головном, спинном мозге и вегетативной нервной системе.

Колебания, как правило, являются отражением сбалансированного взаимодействия между двумя или более силами.

В мозге они обычно отражают конкуренцию между возбуждением и торможением. Баланс между ними является относительным и в цикле колебаний возбуждение и торможение преобладают на разных фазах. Это имеет два основных эффекта. Во-первых, колебания являются энергетически наиболее эффективным способом синхронизации нейронов и формирования нейронных сборок. Таким образом, многие возбуждающие нейроны могут синхронизироваться в ограниченном диапазоне фаз, посылая сообщения нижестоящим структурам в фазе «отправки». Во-вторых, в фазе «приема» (или возмущения) нейроны могут наиболее эффективно реагировать на входные сигналы восходящего направления.

Типы ритмов мозга

Существует не менее 10 дискретных ритмов мозга, охватывающих более четырех порядков по частоте, приблизительно от 0,02 до 600 герц (Гц). Различные структуры мозга и состояния мозга имеют различные предпочтительные подмножества колебаний. Большинство колебаний недолговечны (менее секунды), в то время как другие могут сохраняться в течение более длительных периодов.

Традиционно полосы частот обозначаются греческими буквами. Они указывают не логический порядок частот, а примерно порядок их открытий. Альфа-колебания (8–12 Гц) наиболее заметны над затылочной областью коры, когда глаза закрыты.

  • Тета-колебания большой амплитуды (4–10 Гц) доминируют в гиппокампально-энторинальной системе во время пространственной навигации и обработки памяти
  • Дельта-волны (0,5–1,5 Гц), волны наибольшей амплитуды в неокортексе (область коры головного мозга, связанная со зрением и слухом), присутствуют во время не-быстрого сна
  • Бета-ритмы (13–30 Гц) присутствуют во всей двигательной системе при отсутствии движения, в то время как преходящие бета-колебания (или веретена сна) присутствуют в таламокортикальной системе на ранних стадиях сна
  • Гамма-колебания (30–120 Гц) присутствуют почти во всех структурах и во всех состояниях мозга, хотя они доминируют в возбужденном, внимательном мозге
  • Временная картина пульсаций (130–200 Гц), наиболее заметная в гиппокампе, служит для передачи воспоминаний и планов действий от гиппокампа к неокортексу. Эти и другие ритмы могут временно сосуществовать в одной и той же или в разных структурах и взаимодействовать друг с другом.

Иерархия мозговых ритмов

Различные колебания мозга, а не определенные ритмы, связаны с изменениями состояния мозга, такими как стадии сна и уровень пробуждения. Отдельные полосы частот, измеренные с помощью ЭЭГ, образуют геометрическую прогрессию в линейной частотной шкале или линейную прогрессию в натуральном логарифмическом масштабе.

Поскольку центральные частоты соседних полос имеют отношения нецелых чисел друг с другом, они не могут затрагивать друг друга в течение длительного периода. Вместо этого колебательные помехи между ними приводят к постоянным колебаниям между нестабильными и переходно-устойчивыми состояниями. Это объясняет постоянную изменчивость шкалы ЭЭГ.

Различные ритмы связаны иерархической взаимосвязью и выражаются фазовой модуляцией между частотами. Фаза медленного колебания модулирует амплитуду более быстрого ритма.

В свою очередь, фаза более быстрого ритма модулирует амплитуду еще более быстрого и так далее. Например, пики локальных нейронов синхронизированы по фазе с впадинами колебания. Вероятность возникновения пульсации модулируется фазой таламокортикальных веретен сна.

Быстрые колебания являются локальными, тогда как более медленные колебания могут привлекать все больший объем мозга. Их взаимодействие позволяет локальным вычислениям транслироваться глобально и позволяет глобальным состояниям мозга контролировать локальные вычисления в нескольких областях мозга.

Изображение Механизмы нейронных колебанийМеханизмы нейронных колебаний

Можно выделить два аспекта нейронных колебаний: механизм генерации ритма и субстрат генерации тока.

Хотя отдельные нейроны могут колебаться изолированно, сетевые ритмы обычно возникают в результате взаимодействия многих нерегулярно запускающих нейронов внутри и через структуры мозга. Они являются эмерджентными паттернами, и их частота определяется различными нейронными постоянными времени.

В случае гамма-ритма они соответствуют постоянной времени нейрональной мембраны и быстрым ингибирующим и быстрым возбуждающим рецепторам. Фазовозбужденные нейроны вызывают когерентные колебания их мембранных потенциалов, и их суммарный вектор во внеклеточном пространстве можно обнаружить с помощью электродов и удобно использовать для мониторинга динамических изменений популяций нейронов.

Колебания в одной и той же полосе частот могут генерироваться различными механизмами в разных структурах (например, тета-колебания гиппокампа и средней линии).

Колебания как таковые не служат особым когнитивным или моторным функциям. Вместо этого, преимущества конкретного колебания зависят от мозговой системы, с помощью которой оно поддерживается. Например, значение гамма-колебаний в сенсорной обонятельной луковице отличается от значения в префронтальных контурах, выполняющих когнитивные функции.

Сохранение через виды

Замечательным аспектом мозговых ритмов является их эволюционно консервативная природа. Каждое известное колебание у одного вида также встречается практически у всех других млекопитающих.

Полосы частот, временные аспекты колебательной активности (например, продолжительность и временная эволюция) и их поведенческие корреляции сохраняются, несмотря на 17000-кратное увеличение объема мозга от мелкой землеройки до китообразных.

Сохранение колебаний головного мозга и их эффектов кросс-частотной связи между видами предполагает фундаментальную роль для временной координации нейрональной активности.

Роль в нейронном синтаксисе

Колебания мозга могут разделять и группировать нейронную активность. Поскольку все нейронные колебания основаны на торможении, они могут анализировать и объединять нейронные сообщения, что является обязательным условием для любого механизма кодирования.

Гамма-волны объединяют нейроны в сборки, которые можно представить как нейрональное «письмо». Иерархическая природа кросс-частотно-связанных ритмов может служить механизмом объединения нейронных букв в нейронные слова и слова в предложения. Нейронные осцилляторы являются пульсирующими и могут легко увлекать друг друга, способствуя эффективности обмена сообщениями между областями мозга.

Изображение Нервные колебания при болезниНейронные колебания при болезни

Каждое психическое расстройство связано с каким-то изменением ритма. Быстрая рябь и гиперсинхронность указывают на эпилепсию, гамма-колебания уменьшаются при шизофрении, депрессия характеризуется изменениями шкалы во сне, а усиленные бета-колебания в двигательных зонах являются при болезни Паркинсона.

Однако связь между болезнью и колебаниями сложна. Измененная связь между различными колебательными структурами и изменениями в разных структурах важнее, чем увеличенная или уменьшенная амплитуда в определенной полосе частот.

Жмите кнопку «Поделиться» в соцсетях, чтобы не потерять информацию

Комментарии
Загрузка...

Здравствуйте! Мы используем куки для наилучшего представления нашего сайта. Вы видите это сообщение во исполнение нами Федерального закона от 27.07.2006 N 152-ФЗ "О персональных данных". Закрыть Читать далее