PROVIDENCE, R.I. – Rytmy beta, czyli fale aktywności mózgu o częstotliwości około 20 Hz, towarzyszą podstawowym zachowaniom, takim jak uwaga, czucie i ruch, i są związane z niektórymi zaburzeniami, takimi jak choroba Parkinsona. Naukowcy debatowali nad tym, jak powstają te spontaniczne fale i nie ustalili jeszcze, czy są one tylko produktem ubocznym aktywności, czy też odgrywają rolę przyczynową w funkcjonowaniu mózgu. Teraz w nowym artykule prowadzonym przez neurobiologów z Brown University, mają oni nowe, specyficzne, mechanistyczne wyjaśnienie fal beta do rozważenia.

Nowa teoria, przedstawiona w Proceedings of the National Academy of Sciences, jest produktem kilku linii dowodów: zewnętrznych odczytów fal mózgowych od ludzi, wyrafinowanych symulacji obliczeniowych i szczegółowych zapisów elektrycznych z dwóch organizmów modelowych ssaków.

„Pierwszym krokiem do zrozumienia przyczynowej roli beta w zachowaniu lub patologii, i jak manipulować nim dla optymalnej funkcji, jest zrozumienie, skąd pochodzi na poziomie komórkowym i obwodowym,” powiedziała autorka Stephanie Jones, profesor nadzwyczajny neurobiologii na Uniwersytecie Browna. „Nasze badanie połączyło kilka technik, aby odpowiedzieć na to pytanie i zaproponowało nowy mechanizm spontanicznego neokorowego beta. Odkrycie to sugeruje kilka możliwych mechanizmów, poprzez które beta może wpływać na funkcjonowanie.”

Making waves

Zespół rozpoczął od wykorzystania zewnętrznych czujników magnetoencefalografii (MEG) do obserwacji fal beta w ludzkiej korze somatosensorycznej, która przetwarza zmysł dotyku, oraz w dolnej korze czołowej, która jest związana z wyższym poznaniem.

Przeanalizowali oni dokładnie fale beta, stwierdzając, że trwały one najwyżej 150 milisekund i miały charakterystyczny kształt fali, z dużą, stromą doliną w środku fali.

Pytaniem było, jaka aktywność neuronalna w korze mózgowej mogłaby wytworzyć takie fale. Zespół próbował odtworzyć fale za pomocą modelu komputerowego obwodu korowego, składającego się z wielowarstwowej kolumny korowej, która zawierała wiele typów komórek w różnych warstwach. Co ważne, model został zaprojektowany tak, aby zawierał typ komórek zwany neuronami piramidowymi, których aktywność dominuje w ludzkich zapisach MEG.

Odkryli, że mogą ściśle replikować kształt fal beta w modelu poprzez dostarczanie dwóch rodzajów pobudzającej stymulacji synaptycznej do różnych warstw w korowych kolumnach komórek: jeden, który był słaby i szeroki w czasie trwania do niższych warstw, kontaktując się z dendrytami kolczastymi na neuronach piramidowych blisko ciała komórki; i drugi, który był silniejszy i krótszy, trwający 50 milisekund (tj.., jeden okres beta), do górnych warstw, kontaktując się z dendrytami bardziej oddalonymi od ciała komórki. Silny dystalny napęd stworzył dolinę w kształcie fali, która określiła częstotliwość beta.

W międzyczasie próbowali modelować inne hipotezy na temat tego, jak powstają fale beta, ale te okazały się bezskuteczne.

Mając model tego, czego szukać, zespół następnie przetestował go, szukając prawdziwego biologicznego korelatu w dwóch modelach zwierzęcych. Zespół przeanalizował pomiary w korze mózgowej myszy i makaków rhesus i znalazł bezpośrednie potwierdzenie, że ten rodzaj stymulacji i odpowiedzi wystąpił w warstwach korowych w modelach zwierzęcych.

„Ostatecznym testem przewidywań modelu jest nagranie sygnałów elektrycznych wewnątrz mózgu,” powiedział Jones. „Te nagrania wsparły nasze przewidywania modelowe.”

Beta w mózgu

Ani modele komputerowe ani pomiary nie wyśledziły źródła pobudzających stymulacji synaptycznych, które napędzają neurony piramidowe do produkcji fal beta, ale Jones i jej współautorzy twierdzą, że prawdopodobnie pochodzą one ze wzgórza, głębiej w mózgu. Projekcje ze wzgórza zdarzają się dokładnie w tych miejscach, które są potrzebne do dostarczania sygnałów do właściwych pozycji na dendrytach neuronów piramidowych w korze mózgowej. Wzgórze jest również znany do wysyłania wybuchów aktywności, które trwają 50 milisekund, jak przewidywano przez ich theory.

Z nową biofizyczną teorią jak fale powstają, naukowcy mają nadzieję, że pole może teraz zbadać, czy rytmy beta wpływają lub tylko odzwierciedlają zachowanie i choroby. Zespół Jonesa we współpracy z profesorem neurobiologii Christopherem Moore’em w Brown testuje teraz przewidywania z teorii, że beta może zmniejszać sensoryczne lub motoryczne funkcje przetwarzania informacji w mózgu. Nowe hipotezy są takie, że wejścia, które tworzą beta mogą również stymulować neurony hamujące w górnych warstwach kory, lub że mogą nasycić aktywność neuronów piramidowych, zmniejszając w ten sposób ich zdolność do przetwarzania informacji; lub że wybuchy wzgórza, które dają początek beta zajmują wzgórze do punktu, w którym nie przekazuje informacji do kory.

Figurowanie tego może prowadzić do nowych terapii opartych na manipulowaniu beta, Jones said.

„Aktywne i rosnące pole badań neuroscience próbuje manipulować rytmami mózgu dla optymalnej funkcji z technikami stymulacji,” powiedziała. „Mamy nadzieję, że nasze nowatorskie odkrycie dotyczące neuronalnego pochodzenia rytmu beta pomoże kierować badaniami nad manipulowaniem rytmem beta, a być może także innymi rytmami, w celu poprawy funkcjonowania w patologiach sensomotorycznych.”

Głównym autorem badania jest absolwent Brown, student Maxwell Sherman. Inni autorzy to Shane Lee, Robert Law, Saskia Haegens, Catherine Thorn, Matti Hamalainen i Moore.

Narodowa Fundacja Naukowa (grant: CRCNS-1131850) i Narodowe Instytuty Zdrowia (granty: MH106174, MH060358, 5T32MH019118-23) sfinansowały badania.