Ученые используют инновационный подход, основанный на нейронных сетях, для изучения сложных сетей головного мозга

Professor Wu Группа ученых во главе с профессором Эд Ву департамента электрической и электронной инженерии Университета Гонконга использовала инновационный инструмент для исследования сложных сетей головного мозга и его функций. Команда успешно применила две новейшие технологии: оптогенетическую и функциональную магниторезонансную томографию для исследования распространения мозговой активности. Возможность одновременного захвата широкомасштабной активности всего головного мозга и динамики взаимодействия отдельных его частей путем изучения их функциональных ролей позволили ученым сделать шаг вперед в понимании загадок головного мозга. Подобные знания могут привести к разработке новых нейротехнологий ранней диагностики и лечения болезней мозга, таких как аутизм, болезнь Альтцгеймера или слабоумие.

Результаты исследований были опубликованы в международном академическом журнале Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America.

Человеческий мозг является источником наших мыслей, эмоций, чувств, действий и памяти. Как на самом деле функционирует головной мозг до конца неизвестно. Одной из больших проблем нейронауки 21 века является достижение понимания взаимодействия внутренних составных частей головного мозга, особенно структуры нейронной активности, дающей начало функциональности и поведению.

В 2013 году Администрация Президента Обамы приняла «мозговую инициативу» для «ускорения разработки и применения новых технологий, которые позволят исследователям производить динамические изображения мозга, иллюстрирующие отдельные клетки мозга и сложные нейронные сети, взаимодействующие со скоростью мысли». В ноябре 2016 года КНР запустила свою программу «Китайский мозговой проект», целью которого является улучшение базовых разработок в области механизмов нейронных сетей в надежде улучшить методы диагностики / лечения заболеваний мозга и начать разработку технологии искусственного интеллекта.

Технологии, предлагаемые командой оптогенетиков профессора Ву, являются важным инструментом для понимания активности мозга путем включения и выключения клеток мозга. Используя свет для индикации того, какая из клеток мозга отвечает за конкретные активности и какая из них работает неправильно при различных заболеваниях, функциональная магниторезонансная томография является неинвазивным средством для фиксации активности головного мозга. Исследователи могут использовать функциональную магниторезонансную томографию для отображения реакции всего мозга на различные воздействия. Команда профессора Ву является первопроходцем в применении функциональной магниторезонансной томографии, особенно в исследованиях визуальных, слуховых функций и связности мозга.

Синергетическая комбинация двух мощных технологий имеет огромный потенциал для активации нового поколения междисциплинарных исследований, направленных на понимание функционирования головного мозга. Способность модулировать специфические нейроны и фиксировать их активность неинвазивным способом, позволят исследователям воздействовать на сложные мозговые сети и функции.

Основные результаты исследования

Связи между таламусом и корой являются самыми распространенными в головном мозге. Они отвечают за множество важных функций, таких как восприятие 5 чувств, производство осмысленной двигательной активности и регуляция цикла бодрствования / сна. Отклонения могут быть выражены в различных патологиях головного мозга. Команда профессора Ву установила, что функциональные связи между таламусом и корой головного мозга выходят за традиционные рамки, установленные предыдущими исследованиями.

В исследовании ученых оптогенетическое возбуждение соматосенсорной части таламуса также активирует визуальную, слуховую и поясную кору, - регионы, которые мало чем связаны с соматосенсорным таламусом. Интересно, что феномен проявляется только во время низких частот небольшой амплитуды оптогенетического возбуждения. Кроме того, ученые продемонстрировали, что низкочастотное возбуждение таламуса может увеличить способность обработки визуальной информации и мозговое взаимодействия. Эти открытия показывают, что таламус не только является своеобразным «реле» или пассивным участком мозга, как считали ранее. Более того, он может инициировать широкомасштабное взаимодействие нейронов на различных частотах.

Головной мозг человека составляет всего 2% от общего его веса, но он потребляет до 20% потребляемой человеком энергии. Не смотря на важность, он является самым неизученным органом человека. С развитием и применением новых нейротехнологий, команда профессора Ву надеется, что результаты их исследования станут основой для дальнейших исследований, направленных на визуализацию сложных мозговых сетей. Кроме того, увеличивая знания о функциональных взаимодействиях головного мозга, появляются широкие возможности применения технологий нейромодуляции для лечения таких болезней как аутизм, болезнь Альтцгеймера или слабоумия.

Назад

Не менее интересно