PROVIDENCE, R.I. – Beta rytmy, neboli vlny mozkové aktivity s frekvencí přibližně 20 Hz, doprovázejí životně důležitá základní chování, jako je pozornost, vnímání a pohyb, a jsou spojovány s některými poruchami, například Parkinsonovou chorobou. Vědci diskutují o tom, jak tyto spontánní vlny vznikají, a dosud neurčili, zda jsou pouze vedlejším produktem činnosti, nebo zda hrají příčinnou roli v mozkových funkcích. Nyní mají v nové práci vedené neurology z Brownovy univerzity k dispozici nové konkrétní mechanistické vysvětlení beta vln.

Nová teorie, prezentovaná ve sborníku Proceedings of the National Academy of Sciences, je výsledkem několika linií důkazů: externích odečtů mozkových vln od lidských subjektů, sofistikovaných počítačových simulací a detailních elektrických záznamů ze dvou savčích modelových organismů.

„Prvním krokem k pochopení příčinné role beta v chování nebo patologii a k tomu, jak s ní manipulovat pro optimální funkci, je pochopit, odkud pochází na úrovni buněk a obvodů,“ uvedla odpovídající autorka Stephanie Jonesová, docentka neurověd na Brownově univerzitě. „Naše studie kombinovala několik technik k řešení této otázky a navrhla nový mechanismus spontánního neokortikálního beta. Tento objev naznačuje několik možných mechanismů, kterými beta může ovlivňovat funkci.“

Vlnění

Tým začal pomocí externích magnetoencefalografických (MEG) senzorů pozorováním beta vln v lidské somatosenzorické kůře, která zpracovává smysl pro dotek, a v dolní frontální kůře, která je spojena s vyšším poznáním.

Podrobně analyzovali vlny beta a zjistili, že trvají nanejvýš pouhých 150 milisekund a mají charakteristický tvar vlny s velkým strmým údolím uprostřed vlny.

Otázkou odtud bylo, jaká nervová aktivita v kůře může takové vlny vyvolat. Tým se pokusil vlny rekonstruovat pomocí počítačového modelu korového obvodu, tvořeného vícevrstvým korovým sloupcem, který obsahoval více typů buněk v různých vrstvách. Důležité bylo, že model byl navržen tak, aby zahrnoval typ buněk zvaných pyramidové neurony, o jejichž aktivitě se předpokládá, že dominuje lidským MEG záznamům.

Zjistili, že mohou věrně napodobit tvar beta vln v modelu tím, že dodají dva druhy excitační synaptické stimulace do různých vrstev v kortikálním sloupci buněk: jeden, který byl slabý a široký v trvání do nižších vrstev, kontaktoval ostnaté dendrity na pyramidových neuronech v blízkosti buněčného těla; a druhý, který byl silnější a kratší, trvající 50 milisekund (tj. 50 mil, jedna beta perioda), do horních vrstev, které se dotýkaly dendritů vzdálenějších od buněčného těla. Silný distální pohon vytvořil údolí ve tvaru vlny, které určovalo frekvenci beta.

Mezitím se pokusili modelovat další hypotézy o tom, jak vlny beta vznikají, ale zjistili, že jsou neúspěšné.

S modelem, co hledat, ho pak tým testoval hledáním jeho skutečného biologického korelátu na dvou zvířecích modelech. Tým analyzoval měření v mozkové kůře myší a makaků rhesus a našel přímé potvrzení, že k tomuto druhu stimulace a reakce dochází napříč kortikálními vrstvami u zvířecích modelů.

„Konečným testem modelových předpovědí je záznam elektrických signálů uvnitř mozku,“ řekl Jones. „Tyto záznamy potvrdily naše modelové předpovědi.“

Beta v mozku

Počítačové modely ani měření nevystopovaly zdroj excitačních synaptických podnětů, které pohánějí pyramidové neurony k produkci beta vln, ale Jonesová a její spoluautoři předpokládají, že pravděpodobně pocházejí z thalamu, hlouběji v mozku. Projekce z thalamu se nacházejí přesně na těch místech, která jsou potřebná k doručení signálů do správných pozic na dendritech pyramidových neuronů v mozkové kůře. Je také známo, že thalamus vysílá výbuchy aktivity, které trvají 50 milisekund, jak předpovídá jejich teorie.

Vědci doufají, že s novou biofyzikální teorií vzniku vln bude nyní možné zkoumat, zda beta rytmy ovlivňují chování a nemoci, nebo je pouze odrážejí. Jonesův tým ve spolupráci s profesorem neurovědy Christopherem Moorem z Brownu nyní testuje předpovědi vyplývající z teorie, že beta může snižovat funkce zpracování senzorických nebo motorických informací v mozku. Nové hypotézy předpokládají, že vstupy, které vytvářejí beta, mohou také stimulovat inhibiční neurony v horních vrstvách kůry, nebo že mohou nasytit aktivitu pyramidových neuronů, a tím snížit jejich schopnost zpracovávat informace; nebo že thalamické záblesky, které dávají vzniknout beta, zaměstnávají thalamus do té míry, že nepředává informace do kůry.

Zjištění této skutečnosti by mohlo vést k novým léčebným postupům založeným na manipulaci s beta, řekla Jonesová.

„Aktivní a rostoucí oblastí neurovědního výzkumu je snaha manipulovat mozkové rytmy pro optimální funkci pomocí stimulačních technik,“ řekla. „Doufáme, že naše nové zjištění o nervovém původu beta pomůže nasměrovat výzkum k manipulaci s beta a případně i dalšími rytmy pro zlepšení funkce u senzomotorických patologií.“

Vedoucím autorem studie je promovaný student Brownu Maxwell Sherman. Dalšími autory jsou Shane Lee, Robert Law, Saskia Haegens, Catherine Thorn, Matti Hamalainen a Moore.

Výzkum financovala Národní vědecká nadace (grant: CRCNS-1131850) a Národní ústavy zdraví (granty: MH106174, MH060358, 5T32MH019118-23)

.