PROVIDENCE, R.I. – Ritmurile beta, sau undele de activitate cerebrală cu o frecvență de aproximativ 20 Hz, însoțesc comportamente fundamentale vitale, cum ar fi atenția, senzația și mișcarea și sunt asociate cu unele tulburări, cum ar fi boala Parkinson. Oamenii de știință au dezbătut modul în care apar aceste unde spontane și nu au stabilit încă dacă undele sunt doar un produs secundar al activității sau dacă joacă un rol cauzal în funcțiile creierului. Acum, într-o nouă lucrare condusă de neuroștiinți de la Universitatea Brown, ei au de luat în considerare o nouă explicație mecanicistă specifică a undelor beta.

Noua teorie, prezentată în Proceedings of the National Academy of Sciences, este produsul mai multor linii de dovezi: citiri externe ale undelor cerebrale de la subiecți umani, simulări computaționale sofisticate și înregistrări electrice detaliate de la două organisme model de mamifere.

„Un prim pas pentru a înțelege rolul cauzal al beta în comportament sau patologie și cum să îl manipulăm pentru o funcționare optimă este să înțelegem de unde provine la nivel celular și de circuit”, a declarat autorul corespondent Stephanie Jones, profesor asociat de cercetare în neuroștiințe la Universitatea Brown. „Studiul nostru a combinat mai multe tehnici pentru a aborda această întrebare și a propus un mecanism nou pentru beta neocorticale spontane. Această descoperire sugerează mai multe mecanisme posibile prin care beta poate avea un impact asupra funcției.”

Făcând valuri

Echipa a început prin a folosi senzori externi de magnetoencefalografie (MEG) pentru a observa undele beta în cortexul somatosenzorial uman, care procesează simțul tactil, și în cortexul frontal inferior, care este asociat cu cogniția superioară.

Acestia au analizat îndeaproape undele beta, constatând că acestea durau cel mult doar 150 de milisecunde și aveau o formă de undă caracteristică, cu o vale mare și abruptă în mijlocul undei.

Întrebarea de aici a fost ce activitate neuronală din cortex ar putea produce astfel de unde. Echipa a încercat să recreeze undele folosind un model computerizat al unui circuit cortical, alcătuit dintr-o coloană corticală multistratificată care conținea mai multe tipuri de celule în diferite straturi. În mod important, modelul a fost conceput pentru a include un tip de celule numit neuroni piramidali, a căror activitate se crede că domină înregistrările MEG umane.

Ei au descoperit că pot reproduce îndeaproape forma undelor beta în model prin livrarea a două tipuri de stimulare sinaptică excitatorie la straturi distincte în coloanele corticale de celule: una care a fost slabă și de durată largă la straturile inferioare, contactând dendritele spinoase de pe neuronii piramidali aproape de corpul celular; și alta care a fost mai puternică și mai scurtă, cu o durată de 50 de milisecunde (de ex, o perioadă beta), către straturile superioare, contactând dendritele mai îndepărtate de corpul celular. Acționarea distală puternică a creat valea în forma de undă care a determinat frecvența beta.

Între timp au încercat să modeleze și alte ipoteze despre cum apar undele beta, dar au constatat că acestea nu au avut succes.

Cu un model a ceea ce trebuie să caute, echipa l-a testat apoi căutând o corelație biologică reală a acestuia în două modele animale. Echipa a analizat măsurători în cortexul șoarecilor și al macacilor rhesus și a găsit o confirmare directă a faptului că acest tip de stimulare și răspuns a avut loc de-a lungul straturilor corticale în modelele animale.

„Testul final al predicțiilor modelului este înregistrarea semnalelor electrice în interiorul creierului”, a spus Jones. „Aceste înregistrări au susținut predicțiile modelului nostru.”

Beta în creier

Nici modelele computerizate, nici măsurătorile nu au depistat sursa stimulărilor sinaptice excitatorii care conduc neuronii piramidali pentru a produce undele beta, dar Jones și coautorii săi susțin că acestea provin probabil din talamus, mai adânc în creier. Proiecțiile de la talamus se întâmplă să se afle exact în locurile potrivite necesare pentru a transmite semnale în pozițiile potrivite pe dendritele neuronilor piramidali din cortex. Se știe, de asemenea, că talamusul trimite explozii de activitate care durează 50 de milisecunde, așa cum prevede teoria lor.

Cu o nouă teorie biofizică a modului în care apar undele, cercetătorii speră că domeniul poate acum să investigheze dacă ritmurile beta afectează sau doar reflectă comportamentul și boala. Echipa lui Jones, în colaborare cu profesorul de neuroștiințe Christopher Moore de la Brown, testează acum predicțiile din teorie conform cărora beta ar putea diminua funcțiile de procesare a informațiilor senzoriale sau motorii în creier. Noile ipoteze sunt că intrările care creează beta pot stimula, de asemenea, neuronii inhibitori din straturile superioare ale cortexului, sau că pot satura activitatea neuronilor piramidali, reducând astfel capacitatea acestora de a procesa informații; sau că exploziile talamice care dau naștere la beta ocupă talamusul până la punctul în care acesta nu mai transmite informații către cortex.

Descoperirea acestui lucru ar putea duce la noi terapii bazate pe manipularea beta, a spus Jones.

„Un domeniu activ și în creștere al cercetării în neuroștiințe încearcă să manipuleze ritmurile cerebrale pentru o funcționare optimă cu ajutorul tehnicilor de stimulare”, a spus ea. „Sperăm că noua noastră descoperire privind originea neuronală a beta va ajuta la ghidarea cercetării pentru a manipula beta, și posibil și alte ritmuri, pentru îmbunătățirea funcției în patologiile senzorio-motorii.”

Autorul principal al studiului este studentul absolvent Brown Maxwell Sherman. Ceilalți autori sunt Shane Lee, Robert Law, Saskia Haegens, Catherine Thorn, Matti Hamalainen și Moore.

National Science Foundation (grant: CRCNS-1131850) și National Institutes of Health (granturi: MH106174, MH060358, 5T32MH019118-23) au finanțat cercetarea.

.