Мозг переписывает карту

Новое исследование подвергло сомнению вековую привычку картографировать мозг по его внешнему виду под микроскопом. Ученые, работавшие с тысячами нейронов у мышей, выяснили: мозг организует себя не по тому, как ткани выглядят, а по тому, как через него течет информация. Результаты опубликованы в журнале Nature Neuroscience.

Префронтальная кора — центр управления высокоуровневыми задачами: планированием, принятием решений, рассуждениями. Традиционно границы этой области определяли по строению клеток: ткань окрашивали, рассматривали её под микроскопом, и если клетки выглядели по‑разному, считалось, что и функции отличаются. Но прямого доказательства связи между «картинкой» и реальной электрической активностью нейронов так и не появилось.

Команда Марии Карлен из Karolinska Institutet решила проверить, насколько оправдана эта догадка. Авторы исследования Пьер Ле Мерр и Катарина Хайнинг поставили цель: создать карту мозга, основанную не на том, где клетки находятся, а на том, как они работают.

Для этого исследователи записали активность более 24 тысяч отдельных нейронов в мозге мышей с помощью Neuropixels — сенсоров, способных фиксировать электрическую активность в живом, бодрствующем мозге. Записи велись из префронтальной коры, а также из сенсорных и моторных областей. Сначала анализировали спонтанную активность — разряды нейронов в состоянии покоя, когда животное ничего не делает.

Чтобы описать её, простого подсчета импульсов было мало. Исследователи использовали три математических параметра: частоту разрядов, «взрывчатость» — показатель того, насколько импульсы идут ровными или непредсказуемыми пачками, — и «память», то есть связь между длительностью последовательных интервалов между разрядами. В совокупности эти параметры дали уникальный «отпечаток» каждого нейрона.

Затем эти отпечатки были обработаны с помощью метода машинного обучения Self‑Organizing Map, который группировал нейроны по сходству. Так учёные получили карту активности без вмешательства субъективного мнения.

Префронтальная кора проявила чёткий и уникальный профиль: низкая частота разрядов и устойчивый, ровный ритм без всплесков. Этот «медленный и регулярный» стиль резко отличался от других областей. Но когда учёные наложили эту функциональную карту на классическую анатомическую, совпадений почти не оказалось.

Области, выглядевшие по‑разному под микроскопом, зачастую содержали одинаково работающие нейроны. А похожие внешне зоны, наоборот, демонстрировали разные типы активности. Функциональные модули префронтальной коры игнорировали традиционные анатомические границы.

Зато активность хорошо совпадала с иерархией обработки информации. Сенсорные зоны, которые первыми принимают внешние сигналы, работают быстро и всплесками. Префронтальная кора — вершина иерархии — должна удерживать информацию, а значит, ей нужен стабильный ритм. И действительно: чем выше область по уровню обработки, тем чаще демонстрировался медленный регулярный паттерн.

Когда мыши выполняли задачу — реагировали на звук или свет, чтобы получить воду, — исследователи изучили, как активность меняется при принятии решения. Некоторые нейроны реагировали на сам стимул, а другие — на момент выбора. И снова функциональные зоны не совпали с анатомией.

Появилась даже парадоксальная деталь: хотя общий фон префронтальной коры — медленный и ровный, нейроны, отвечающие за сам акт выбора, наоборот, стреляли с высокой частотой. «Решатели» и «интеграторы» жили бок о бок, но вели себя по-разному. Это говорит о том, что мозг организуется не по внешнему виду тканей, а по структуре связей.

Авторы отмечают ограничения: исследование проводилось на мышах, причём в основном регистрировали глубокие слои коры. Поведение тестировали ограниченно. Нужно проверять результаты в других условиях и видах. Но если закономерность подтвердится, это может дать ключ к пониманию психических расстройств, связанных с префронтальной корой.

Подход, основанный на данных, обещает заменить субъективные описания мозга объективной картой электрической активности. Чтобы понять мозг, учёные предлагают смотреть не на «дороги», а на невидимый трафик, который по ним движется.