Простые ритмы полностью меняют сеть мозга

Простые ритмичные звуки способны перекроить работу всего мозга – к такому выводу пришла группа исследователей из Центра музыки и мозга (Aarhus University, Дания), опубликовав результаты в журнале Advanced Science. В рамках этого исследования они представили аналитический инструмент FREQ-NESS, позволяющий отслеживать, как различные сети мозга одновременно работают на разных частотах. Оказалось, что прослушивание элементарных ритмов не только активирует слуховую кору, но и перестраивает конфигурацию всей мозговой сети: меняются доминирующие осцилляции и усиливается связь между медленными и быстрыми ритмами мозга.

Когнитивная нейронаука давно ищет ответ на вопрос, как мозг функционирует как динамическая система при обработке информации извне. Одна из сложностей – отловить, как разные сети с собственными частотами и территорией работы взаимодействуют, особенно при реакции на внешние стимулы.

Ранние исследования чаще смотрели либо на отдельные региональные зоны либо грубо объединяли мозговую активность по широким диапазонам (например, альфа, бета, гамма волны). Это давало ценную, но частичную картину. Множество процессов мозга происходит одновременно и накладывается друг на друга – поэтому выделить отдельные сети было сложно.

Чтобы разобраться глубже, учёные разработали FREQ-NESS – методологию, позволяющую одновременно анализировать частотные сети с высокой точностью и по месту, и по времени. В отличие от традиционных подходов с жёсткой предварительной разбивкой, этот инструмент вычисляет работу сетей исходя из фактической анатомии мозга и отдельных частот.

В эксперименте участвовали 29 человек (преимущественно не музыканты). Им записывали мозговую активность с помощью магнитoэнцефалографии (MEG), обладающей высокой временной точностью. Испытуемые проходили два 5-минутных сеанса: сначала просто смотрели немое кино (состояние покоя), а затем слушали ритмичные звуки с частотой 2,4 Гц (примерно два удара в секунду), не переставая смотреть то же кино. Затем ученые анализировали активность мозга на уровне 3500 отдельных зон (вокселей), выделяя частотные сети с помощью статистического метода GED, чтобы отделить узкочастотную (то есть частотно-специфичную) активность от фона.

Такой анализ проводился сразу по 86 частотам в диапазоне от 0,2 до 100 Гц. Сети каждой частоты оценивались по 'выраженности' и распределению по мозгу. Исследователи также изучали, как низкие частоты 'управляют' амплитудой высокочастотных сетей – это называется межчастотное (cross-frequency) взаимодействие.

В режиме покоя мозг демонстрировал классическую картину: на низких частотах преобладала «сеть пассивного режима» (default mode network), альфа-сеть (10,9 Гц) локализовалась в затылке, моторная бета-сеть (22,9 Гц) — в зоне предцентральной извилины. Всё это совпало с классическими данными о 'любимых' частотах разных регионов.

Но при прослушивании ритма всё перестроилось. Во-первых, появились новые сети, точно настроенные на частоту звукового стимула — 2,4 Гц и её гармонику 4,8 Гц. Эти сети сосредоточились в слуховой коре (гирус Гешля) и части височной доли (гиппокамп, островок) — регионах, известных как центры слуховой обработки.

Во-вторых, уже существующие сети сместили свою частотную и территориальную «прописку»: например, альфа-сеть стала работать быстрее (12,1 Гц против 10,9 Гц), и её пик из затылочных областей переехал ближе к сенсомоторным зонам. Это намекает, что мозг перестраивается, возможно, для подготовки к движению или предсказания новых событий.

В-третьих, некоторые сети оказались мало чувствительны к внешним стимулам. Например, моторная бета-сеть сохранила прежние параметры вне зависимости от прослушивания ритма.

Дополнительная находка: при прослушивании ритма усиливается взаимодействие между низкой и высокой частотами — сетка на 2,4 Гц 'модулирует' мощность гамма-ритма (60+ Гц) в ассоциативных зонах мозга (например, островок, лобные области). Важно, что зоны гамма-ритма находились вовсе не в слуховой коре, а в областях, отвечающих за интеграцию восприятия с памятью и вниманием.

Главный вывод: даже простое прослушивание ритма заставляет мозг перестроить внутренние процессы тремя способами — точная настройка слуховых сетей на ритм, смещение и ускорение работы других сетей и усиление 'общения' между быстрыми и медленными волнами.

У метода FREQ-NESS есть ограничения: сравнительно малое количество участников, отсутствие фоновых замеров (записи «пустой комнаты») и простая структура задания. Авторы считают, что методику нужно тестировать на более сложных и реалистичных задачах (например использование музыки, речи, исследования на музыкантах, пожилых или при изменённых состояниях сознания).

«FREQ-NESS — важный шаг вперёд, но частота — это только один аспект сложности мозга», комментируют авторы. Метод нацелен только на выделение сетей по частоте и анализ их взаимосвязи. Созданная платформа уже используется в совместных исследованиях по изменению мозговых сетей при приёме психоактивных веществ, в старении, в сравнении музыкантов с немузыкантами. Разработка доступна для всех исследователей: она открыта и распространяется бесплатно.