Ученые из Великобритании показали, что стимуляция мозга в унисон с его собственным тета-ритмом повышает эффективность выполнения загружающих рабочую память когнитивных задач. Это, в свою очередь, указывает на то, что в организации работы далеко лежащих отделов мозга определяющую роль играет именно синхронизация. С полной версией исследования можно ознакомиться на сайте журнала eLife.

Как известно, неотъемлемым свойством нервной клетки является ее возбудимость — способность генерировать потенциал действия в ответ на раздражение. Разрозненные клетки могут объединяться и активироваться одновременно — синхронизироваться, и когда они делают это с регулярной частотой, то возникают ритмы головного мозга. Предполагается, что обмен информацией внутри и между нейронными сетями происходит при непосредственном участии этих ритмов, отражающих объединение отдельных нейронов в ансамбли, задействованные в решениях различных задач. Таким образом, от слаженной работы этого аппарата зависят все когнитивные процессы.

Записать электрическую активность мозга и увидеть, например, те же ритмы позволяет электроэнцефалография (ЭЭГ). Но помимо приема сигналов из мозга можно попытаться осуществить обратный процесс с целью повлиять на происходящее в мозге. В последние годы было обнаружено, что на ритмы мозга можно воздействовать, стимулируя его слабым электрическим током через наложенные на голову электроды. Например, с помощью транскраниальной стимуляции постоянным током (transcranial Direct Current Stimulation — tDCS) ученым удалось улучшить кратковременную память больных шизофренией. Использование стимуляции постоянным током указывает на принципиальную возможность использовать для стимуляции и переменный ток. Этот метод — tACS (transcranial Alternating Current Stimulation) — позволяет подавать ток на мозг в унисон или диссонанс с его собственными ритмами и таким образом исследовать их влияние на решение различных задач.

Активация мозговых структур, вызванная выполнением задачи «2-назад». Теплые цвета соответствуют повышению активности, холодные — снижению. Ines R Violante el al., eLIFE Research article

Авторы новой работы применили метод tACS, чтобы изучить его влияние на мозг во время решения задач, нагружающих рабочую память.

Для создания когнитивной нагрузки ученые использовали две методики: «задача выбор-реакция» (choice reaction task) и «n-назад задача» (n-back task). В соответствии с первой — «выбор-реакция» —испытуемому предъявляли указывающие влево или вправо стрелки, с тем чтобы он с максимальной скоростью нажимал на кнопки, соответствующие правильному направлению. В случае со второй — «n-назад» — принимающему участие в эксперименте добровольцу предъявляли последовательность стимулов, и он должен был подать сигнал, когда текущий стимул совпадает с продемонстрированным n шагов назад. В описываемой работе ученые использовали «1-назад» и «2-назад» методики.

Так как рабочую память связывают с лобной и теменной областями мозга, стимулирующие электроды для tACS расположили на правом полушарии над этими зонами — средней лобной извилиной и нижней теменной долькой — и приступили к электрической стимуляции сходными с тета-ритмом параметрами, так как связь между тета-ритмом и организацией нейронных ансамблей во время процессов, использующих рабочую память, ученым давно известна.

В результате оказалось, что стимуляция в унисон тета-ритму значительно ускоряет выполнение задачи «2-назад», вплоть до того, что различия в эффективности решения между элементарной «1-назад» и более сложной «2-назад» задачами практически стираются.

Ученые также исследовали нейробиологический субстрат наблюдаемых явлений. Для этого была проведена функциональная магнитно-резонансная томография (фМРТ), во время которой испытуемые выполняли задания на «выбор-реакцию» и задачу «2-назад», а ученые в унисон или диссонанс с тета-ритмом стимулировали задействованные в рабочей памяти участки их мозга.

Оказалось, что синхронизация tACS во время выполнения задания «2-назад» повышает функциональную связь между средней лобной извилиной и нижней теменной долькой, чем, вероятно, и объясняется повышение производительности. В общей сложности, полученные данные указывают на связь между выполнением нагружающих рабочую память заданий и мозговыми ритмами, которые объединяют далеко расположенные друг от друга участки мозга для выполнения общей задачи. Это подтверждает гипотезу о роли осцилляций в координации работы мозга.

В целом, научные изыскания, позволяющие разобраться в тонкостях работы мозга и помочь ему работать эффективнее, уже дают свои плоды. Например, упомянутый выше метод tDCS позволил ускорить обучение пилотов.

Автор: Юрий Солюс