Kiedy jesteśmy w głębokim śnie, aktywność naszego mózgu spada i płynie wielkimi, oczywistymi falami, jak obserwowanie, jak fala ludzkich ciał podnosi się i siada wokół stadionu sportowego. Trudno to przegapić.

Nowe badania na małpach wykazały, że te same cykle istnieją w czasie czuwania, jak we śnie, ale tylko małe sekcje siedzą i stoją zgodnie, a nie cały stadion. To tak, jakby maleńkie fragmenty mózgu zasypiały niezależnie i cały czas się budziły.

Co więcej, wydaje się, że kiedy neurony przechodzą w stan bardziej aktywny lub „włączony”, lepiej reagują na świat. Neurony spędzają również więcej czasu w stanie włączonym, kiedy zwracają uwagę na zadanie. To odkrycie sugeruje, że procesy, które regulują aktywność mózgu podczas snu, mogą również odgrywać rolę w uwadze.

„Wybiórcza uwaga jest podobna do nieco bardziej wybudzanych małych części mózgu” – mówi Tatiana Engel, doktorantka na Uniwersytecie Stanforda i współautorka badania, które pojawia się w nauka. Były doktorant Nicholas Steinmetz był drugim współautorem autorów, który przeprowadził eksperymenty neurofizjologiczne w laboratorium Tirin Moore, profesora neurobiologii i jednego ze starszych autorów.

Szpilki i neurony

Zrozumienie tych nowo odkrytych cykli wymaga trochę wiedzy o organizacji mózgu. Gdybyś miał wbić szpilkę bezpośrednio w mózg, wszystkie komórki mózgowe, które uderzyłbyś, zareagowałyby na te same rodzaje rzeczy. W jednej kolumnie mogą wszyscy odpowiadać na obiekty w określonej części pola widzenia – na przykład w prawym górnym rogu.

Zespół wykorzystał to, co stanowi zestaw bardzo czułych szpilek, które mogą rejestrować aktywność kolumny neuronów w mózgu. W przeszłości ludzie wiedzieli, że poszczególne neurony przechodzą przez fazy mniej lub bardziej aktywnej aktywności, ale dzięki tej sondzie po raz pierwszy zobaczyli, że wszystkie neurony w danej kolumnie cyklicznie poruszają się razem, między odpalaniem bardzo szybkim, a odpalaniem znacznie wolniejszym. tempo, podobne do skoordynowanych cykli we śnie.

„Podczas stanu włączenia wszystkie neurony zaczynają szybko aktywować”, mówi Kwabena Boahen, profesor bioinżynierii i elektrotechniki oraz starszy autor artykułu. „Nagle nagle przestawiają się na niską szybkostrzelność. To włączanie i wyłączanie dzieje się cały czas, jakby neurony rzucały monetą, aby zdecydować, czy mają być włączone, czy wyłączone.

Te cykle, które występują w kolejności sekund lub ułamków sekund, nie były tak widoczne, gdy nie śpią, ponieważ fala nie rozchodzi się zbytnio poza tę kolumnę, w przeciwieństwie do snu, kiedy fala rozprzestrzenia się przez prawie cały mózg i jest łatwa do wykryć.

Zwracać uwagę

Zespół odkrył, że wyższe i niższe stany aktywności wiążą się ze zdolnością reagowania na świat. Grupa miała sondę w regionie mózgu małp, który w szczególności wykrywa jedną część świata wzrokowego. Małpy zostały wytresowane, by zwracały uwagę na sygnał wskazujący, że coś w określonej części pola widzenia – powiedzmy w prawym górnym rogu lub lewym dolnym – wkrótce się nieznacznie zmieni. Małpy następnie dostały smakołyk, jeśli poprawnie zidentyfikowały, że widziały tę zmianę.

Kiedy zespół podał wskazówkę, gdzie może nastąpić zmiana, neurony w kolumnie, która wyczuwa tę część świata, zaczęły spędzać więcej czasu w stanie aktywnym. W gruncie rzeczy wszyscy zgodnie kontynuowali przeskakiwanie między stanami, ale spędzali więcej czasu w stanie aktywnym, jeśli zwracali uwagę. Jeśli zmiana bodźca nastąpiła, gdy komórki były w bardziej aktywnym stanie, małpa była również bardziej skłonna do prawidłowego zidentyfikowania zmiany.

„Małpa jest bardzo dobra w wykrywaniu zmian bodźców, gdy neurony w tej kolumnie są w stanie włączonym, ale nie w stanie wyłączonym” – mówi Engel. Nawet gdy małpa wiedziała, że ​​należy zwracać uwagę na konkretny obszar, jeśli neurony przechodzą w stan niższej aktywności, małpa często pomija zmianę bodźca.

Engel powiedział, że to odkrycie może być znajome wielu ludziom. Czasami myślisz, że zwracasz uwagę, zauważyła, ale nadal będziesz tęsknić.

Naukowcy stwierdzili, że odkrycia odnoszą się również do wcześniejszych prac, w których stwierdzono, że bardziej czujne zwierzęta i ludzie mają zwykle bardziej rozszerzone źrenice. W obecnej pracy, kiedy komórki mózgowe spędzały więcej czasu w stanie aktywnym, źrenice małpy były również bardziej rozszerzone. Odkrycia pokazują interakcję między synchronicznymi oscylacjami w mózgu, uwagą na zadanie i zewnętrznymi oznakami czujności.

„Wydaje się, że mechanizmy leżące u podstaw uwagi i pobudzenia są dość współzależne” – mówi Moore.

Czy to oszczędza energię?

Pytanie, które wynika z tej pracy, brzmi: dlaczego neurony przechodzą w stan niższej aktywności, kiedy nie śpimy. Dlaczego nie pozostać cały czas w bardziej aktywnym stanie na wypadek, gdyby tygrys szablozębny zaatakował?

Jedna odpowiedź może dotyczyć energii. „Istnieje koszt metaboliczny związany z ciągłym pobudzaniem neuronów” – mówi Boahen. Mózg zużywa dużo energii i być może danie komórkom szansy na wykonanie energetycznego odpowiednika siedzenia pozwala mózgowi oszczędzać energię.

Ponadto, gdy neurony są bardzo aktywne, generują komórkowe produkty uboczne, które mogą uszkadzać komórki. Engel zwrócił uwagę, że stany niskiej aktywności mogą dać czas na usunięcie tego neuronalnego marnotrawstwa.

„Ten artykuł sugeruje miejsca, w których należy szukać tych odpowiedzi”, mówi Engel.

O autorach

Dodatkowymi współautorami są koledzy z Newcastle University. Fundusze pochodziły z NIH, Stanford NeuroVentures, HHMI, MRC i Wellcome Trust.

Źródło: Stanford University

Powiązane książki:

at Rynek wewnętrzny i Amazon