PROVIDENCE, R.I. – A béta-ritmusok, vagyis az agyi aktivitás körülbelül 20 Hz-es frekvenciájú hullámai olyan létfontosságú alapvető viselkedéseket kísérnek, mint a figyelem, az érzékelés és a mozgás, és összefüggésbe hozhatók egyes rendellenességekkel, például a Parkinson-kórral. A tudósok vitatják, hogyan keletkeznek a spontán hullámok, és még nem határozták meg, hogy a hullámok csak a tevékenység melléktermékei, vagy ok-okozati szerepet játszanak az agyi funkciókban. Most a Brown Egyetem idegtudósai által vezetett új tanulmányban a béta-hullámokra egy konkrét új mechanisztikus magyarázatot tudnak adni.

A Proceedings of the National Academy of Sciences című folyóiratban bemutatott új elmélet több bizonyítéksorozat eredménye: emberi alanyoktól származó külső agyhullám-mérések, kifinomult számítógépes szimulációk és két emlős modellorganizmusból származó részletes elektromos felvételek.

“Az első lépés a béta viselkedésben vagy patológiában betöltött ok-okozati szerepének megértéséhez, és ahhoz, hogy hogyan manipuláljuk azt az optimális működés érdekében, az, hogy megértsük, honnan származik a sejtek és áramkörök szintjén” – mondta a levelező szerző Stephanie Jones, a Brown Egyetem idegtudományi kutatóhelyettese. “Tanulmányunk több technikát kombinált ennek a kérdésnek a megválaszolásához, és a spontán neokortikális béta új mechanizmusát javasolta. Ez a felfedezés több lehetséges mechanizmusra utal, amelyeken keresztül a béta hatással lehet a működésre.”

Hullámok készítése

A csapat először külső magnetoencefalográfiás (MEG) érzékelőkkel figyelte meg a béta-hullámokat az emberi szomatoszenzoros kéregben, amely az érintésérzékelést dolgozza fel, és az alsó frontális kéregben, amely a magasabb szintű megismeréssel van kapcsolatban.

A béta-hullámokat közelről elemezték, és megállapították, hogy azok legfeljebb csak 150 milliszekundumig tartanak, és jellegzetes hullámformával rendelkeznek, amely a hullám közepén egy nagy, meredek völgyet tartalmaz.

A kérdés innentől kezdve az volt, hogy az agykéregben milyen idegi aktivitás hozhat létre ilyen hullámokat. A csapat megkísérelte a hullámok rekonstruálását az agykérgi áramkör számítógépes modelljének segítségével, amely egy többrétegű agykérgi oszlopból állt, amely több sejttípust tartalmazott a különböző rétegekben. Fontos, hogy a modellt úgy tervezték meg, hogy tartalmazza a piramidális neuronoknak nevezett sejttípust, amelynek aktivitása vélhetően uralja az emberi MEG-felvételeket.

Megállapították, hogy a béta-hullámok alakját a modellben úgy tudták pontosan reprodukálni, hogy kétféle gerjesztő szinaptikus ingerlést juttattak az agykérgi sejtoszlopok különböző rétegeibe: az egyik gyenge és széles időtartamú volt az alsóbb rétegekhez, amely a sejttesthez közeli piramissejtek tüskés dendritjeivel érintkezett; a másik pedig erősebb és rövidebb, 50 milliszekundumig tartó (ún, egy béta-periódus), a felsőbb rétegekhez, a sejttesttől távolabb lévő dendritekkel érintkezve. Az erős disztális meghajtás hozta létre a hullámformában azt a völgyet, amely meghatározta a bétafrekvenciát.

Eközben megpróbáltak más hipotéziseket is modellezni a bétahullámok keletkezésével kapcsolatban, de azokat sikertelennek találták.

Azt a modellt, amit keresni kell, a csapat ezután úgy tesztelte, hogy két állatmodellben kereste annak valódi biológiai korrelátumát. A csapat egerek és rhesus makákók kéregállományában végzett méréseket elemzett, és közvetlen megerősítést találtak arra, hogy ez a fajta ingerlés és válasz az állatmodellekben az agykérgi rétegeken átívelően jelentkezik.

“A modell jóslatainak végső tesztje az elektromos jelek rögzítése az agyban” – mondta Jones. “Ezek a felvételek alátámasztották a modelljóslatainkat.”

Béta az agyban

Sem a számítógépes modellek, sem a mérések nem követték nyomon a gerjesztő szinaptikus ingerek forrását, amelyek a piramisneuronokat a béta-hullámok létrehozására késztetik, de Jones és szerzőtársai úgy vélik, hogy azok valószínűleg a talamuszból, az agy mélyéről származnak. A talamuszból származó kivetülések történetesen pontosan a megfelelő helyeken vannak, amelyek szükségesek ahhoz, hogy a jeleket az agykéregben lévő piramissejtek dendritjeinek megfelelő helyére juttassák el. A talamuszról az is ismert, hogy 50 milliszekundumig tartó aktivitáskitöréseket küld, ahogy azt az elméletük megjósolta.

A hullámok keletkezésének új biofizikai elméletével a kutatók remélik, hogy a tudományterület mostantól vizsgálhatja, hogy a béta ritmusok befolyásolják-e a viselkedést és a betegségeket, vagy csupán tükrözik azokat. Jones csapata a Brown idegkutató professzorával, Christopher Moore-ral együttműködve most teszteli az elméletből származó előrejelzéseket, miszerint a béta csökkentheti az érzékszervi vagy motoros információfeldolgozási funkciókat az agyban. Az új hipotézisek szerint a bétát létrehozó bemenetek az agykéreg felső rétegeiben lévő gátló neuronokat is stimulálhatják, vagy telíthetik a piramisneuronok aktivitását, csökkentve ezzel az információfeldolgozási képességüket; vagy a bétát kiváltó talamusz-robbanások annyira lefoglalják a talamuszt, hogy az nem továbbítja az információt az agykéreg felé.

Ezek kiderítése új, a béta manipulálásán alapuló terápiákhoz vezethet, mondta Jones.

“Az idegtudományi kutatások aktív és növekvő területe az agyi ritmusok manipulálása az optimális működés érdekében stimulációs technikákkal” – mondta. “Reméljük, hogy a béta neurális eredetére vonatkozó újszerű eredményünk segíteni fog a béta és esetleg más ritmusok manipulálására irányuló kutatásokat a szenzomotoros kórképek jobb működése érdekében.”

A tanulmány vezető szerzője Maxwell Sherman, a Brown végzett hallgatója. További szerzők: Shane Lee, Robert Law, Saskia Haegens, Catherine Thorn, Matti Hamalainen és Moore.

A kutatást a National Science Foundation (grant: CRCNS-1131850) és a National Institutes of Health (grants: MH106174, MH060358, 5T32MH019118-23) finanszírozta.