Конкурс «Био/Мол/Текст»-2022/2023

Эта работа опубликована в номинации «Нейробиология» конкурса «Био/Мол/Текст»-2022/2023.

Партнер номинации — компания «Сесана»: — один из ведущих поставщиков оборудования и реагентов для полного цикла научного исследования.

---

«Книжный» спонсор конкурса — «Альпина нон-фикшн»

Исторический экскурс

Еще столетие назад для всего научного сообщества представление о работе центральной нервной системы было таковым, что наш мозг становится активным только во время выполнения задач или целенаправленной деятельности.

Первым ученым, который заявил, что наш мозг работает всегда, был Ханс Бергер, отец электроэнцефалограммы (ЭЭГ). С помощью гальванометра уже не молодой профессор смог зафиксировать поверхностную биоэлектрическую активность, как в состоянии покоя, так и при решении какой-либо задачи, придя в итоге к выводу, что человеческий мозг активен постоянно, с поправкой на то, что в состоянии покоя у человека проявляются определенные ритмы мозга — альфа-волны. Это событие можно считать первой успешной электрофизиологической практикой в исследовании мозговой активности человека. Разумеется, в современный вид ЭЭГ привели позднее, в 1940–50-ые годы, когда в практику ввели достаточно мощные усилители и осциллографы.

На протяжении последующих лет метод ЭЭГ многократно модифицировался, открывались новые ритмы мозга, вводились в практику качественные усилители, более чувствительные электроды, при этом он оставался чуть ли не единственным электрофизиологическим методом изучения биоэлектрической активности мозга. Однако в 1950-ых годах началась разработка метода позитронно-эмиссионной томографии (ПЭТ). В основе этого метода лежит возможность при помощи специального детектирующего оборудования (ПЭТ-сканера) отслеживать распределение в организме биологически активных соединений, меченных позитрон-излучающими радиоизотопами.

К началу 1980-х годов, спустя пять лет после доработки, ПЭТ [1] начала привлекать внимание когнитивных психологов, став в дальнейшем очень распространенным методом нейровизуализации. Но тогда при изучении каких-либо функций мозга не предполагалось наличие контрольного состояния без задачи, контроль всегда должен был иметь все элементы задания, кроме одного элемента, с помощью которого и будет проводиться измерение. Например, вы можете видеть некое слово на карточке или на демонстрационном экране, но не должны читать его вслух до того, как вам скажут.

Самое интересное началось, как всегда, из-за случайности и любопытства. Гордон Шульман при проведении подобных когнитивных тестов увидел, как во время отдыха испытуемого, пока он настраивал приборы или менял карточки с заданиями, вместо спонтанной активации какой-либо из зон, ответственных за выполнение задания, начинал мерцать целый комплекс слаженных между собой структур [2]. Это была «Эврика» Шульмана. Конечно, об этом феномене нужно было донести миру, но, к сожалению, его статью отклонили, ссылаясь на то, что данные могли быть обработаны неправильно.

Но тут за ученого в 2001 году вступился Маркус Райхл (рис. 1). В своей статье он и его коллеги из Стэнфордского университета (где также работал Шульман) с помощью МРТ и ПЭТ показали «существование организованного, базового режима работы мозга по умолчанию, который приостанавливается во время определенных целенаправленных форм поведения» [3].

Назвав данную сеть мозга «дефолтной сетью», или «сетью режима по умолчанию», или «сетью в отсутствие задачи», Маркус Райхл и Гордон Шульман задали новое направление в нейронауках по исследованию сетей мозга (рис. 2) [4], а также нарушений их работы при патологиях.

Также стоит отметить появление магнитно-резонансной томографии (МРТ): она не использует ионизирующее излучение, как ПЭТ и КТ, в ее основе лежит явление ядерного магнитного резонанса. Но больше нас интересует основанный на изменении тока крови в мозге метод функциональной магнитно-резонансной томографии (фМРТ). Когда активна какая-либо зона мозга, приток крови к ней увеличивается.

Введение в нейронные сети мозга

Так что же такое нейронные сети?

Нейронные сети головного мозга — это совокупность областей мозга, которые демонстрируют схожую нейронную активность анатомически удаленных друг от друга или находящихся рядом структур, что называется функциональной связностью. Сети мозга также могут подавлять активность друг друга или синхронизироваться в зависимости от задач [3–5].

Изучают такие сети с помощью методов нейровизуализации [1] в реальном времени, с последующей статистической обработкой.

Явление функциональной связи нейронных сетей позволяет нам говорить о том, что в процессе выполнения различных когнитивных функций мозга работа нескольких анатомически отдаленных структур коррелирует относительно всей остальной его активности. Это позволяет выделить функциональные центры, которые проявляют наибольшую активность во время каких-либо задач, но нужно также понимать, что в этот момент работают и все остальные сети, просто с разной активностью.

На данный момент описано 12 сетей мозга (рис. 3) [6]. Все вместе они образуют полную карту связей мозга, называемую коннектомом. Существует проект «1000 функциональных коннектомов», где размещается огромное количество открытых данных исследований для различных видов анализа, так как до сих пор ученые ищут те алгоритмы обработки, которые позволят наиболее точно отразить сети мозга.

Самые исследованные из сетей мозга за прошедшие два десятилетия — это:

• дорсальная сеть внимания (Dorsal Attention Network, DAN) — ответственна за внешнее внимание и решение логических задач;
• сеть значимости (Salience Network, SN) — играет ключевую роль в определении значимости различных стимулов, помогает переключаться между сетями внимания и сети по умолчанию;
• сеть пассивного режима работы мозга (Default Mode Network, DMN) — активна, когда человек бодрствует и находится в покое, а также связана с нашим разумом и определением «я»;
• слуховая сеть (Auditory Network, AN) — отвечает за восприятие звуковых сигналов;
• первичная и вторичная зрительная сеть (Primary Visual Network, PVN и Secondary Visual Network, SVN) — отвечает за обработку зрительной информации, распознавание форм и образов, по-разному вовлекаясь в процесс с течением времени;
• языковая (Language Network, LAN) — ответственна за операции, связанные с языком, восприятием и порождением речи;
• сеть когнитивного контроля (Frontoparietal Network, FPN или Central Executive Network, CEN) — участвует в выполнении задач, требующих сосредоточенного внимания, использования рабочей памяти и принятия решений;
• соматомоторная (Somatomotor Network, SMN) — ответственна за тактильное восприятие, планирование и координацию движений;
• еще три сети — задняя мультимодальная (PMM), вентральная мультимодальная (VMM) и орбито-аффективная (ORA) — были открыты только в 2019 году, поэтому их функции еще не полностью исследованы.

Когда работает сеть режима по умолчанию и для чего нужна

Понять, когда и для чего работает сеть мозга по умолчанию, нам поможет пример из эксперимента. Райхл исследовал мозг испытуемых во время отдыха с открытыми глазами, что соответствует режиму по умолчанию (именно поэтому сеть так и назвали), когда наблюдалась более высокая активность определенных зон мозга по сравнению с остальными. Дальше можно привести пример с карточками прилагательных. Испытуемых просили просмотреть специально подобранные прилагательные и выполнить задание (рис. 4) [7], [8].

В первом вопросе участники исследования направляли свои мысли на самого себя, сопоставляя представление о себе с прочитанным словом, — в этих случаях активировалась сеть по умолчанию. А во втором задании, когда нужно сконцентрироваться на внешнем объекте (слове) и провести его анализ, уже включается дорсальная сеть внимания.

Используя разнообразные задания, мы могли бы выделить еще больше функций, которые выполняет сеть по умолчанию:

1. участвует в автобиографическом и других типах описания себя; это все, что направлено на собственное «я»;
2. способствует распознаванию, описанию и анализу эмоций себя и других людей;
3. контролирует различение хорошего и плохого в понимании социума и морали;
4. отвечает за социальное взаимодействие — понимание социальных характеристик и статуса группы и ее отдельных представителей [9];
5. задействована при воспоминаниях о прошлом и размышлениях о будущем, особенно когда это касается самого человека;
6. активна при креативном мышлении, развитии идей [10].

В каких зонах мозга находится сеть по умолчанию?

Сеть по умолчанию состоит из множества связанных друг с другом центров, или хабов [11]. Активация этих хабов различна в зависимости от типа задачи, в которую включается испытуемый. Стоит сразу сказать, что исследование анатомического строения и функций центров сети по умолчанию идет до сих пор. Ученые подбирают новые, более конкретные виды экспериментов и методик для выявления специфических функций центров DMN.

Сеть мозга по умолчанию представляет собой функциональное объединение медиальной префронтальной коры, задней поясной коры и задней части нижней теменной доли в своей основе (рис. 5).

Медиальная префронтальная кора (MPFC) — это один из главных центров принятия решений. Активна в автобиографической памяти, постановке целей, понятии морали. Участвует в вознаграждении и получении положительных и негативных эмоций (радость и злость) из-за тесной связи с лимбическим мозгом.

Задняя поясная кора (PCC): ее нижние отделы активируются почти во всех задачах, связанных с сетью по умолчанию, особенно стоит выделить задачи, связанные с нашим внутренним «я», с представлениями о других и с нашим прошлым, размышлениями о будущем и восприятием собственного «я».

Задняя нижняя теменная доля (pIPL) и угловая извилина (AG) соединяют между собой большое количество структур сети по умолчанию, также они задействованы во внимании (так как остальные части нижней теменной дольки ассоциированы с дорсальной сетью внимания), и помогают в части припоминания эпизодических воспоминаний [10]. Сеть мозга по умолчанию также связана с такими анатомическими зонами, как нижняя часть лобной извилины, средней височной извилины, верхней височной борозды, парагиппокампальной коры и даже мозжечка [12].

На рисунке 3 читатель мог заметить, что подкорковые структуры не выделены и не отнесены к сетям мозга. Во многом это связано с тем, что во многих исследованиях снимки мозга статистически усредняются, из-за чего некоторые регионы мозга размываются. Но в последние годы проводятся исследования, направленные на закрытие таких пробелов. Например, в 2019 году ученые из Brain Connectivity and Behaviour Laboratory (Париж, Франция) связали вместе DMN и подкорковые структуры, такие как базальный передний мозг, холинергические ядра, передние и медиальные дорсальные ядра таламуса (рис. 6) [13].

Сеть по умолчанию задействована во многих состояниях и задачах, поэтому ученые из Австралии решили выяснить, какие именно узлы сети за что ответственны, как они между собой взаимодействуют при самореферентом анализе и отдыхе [7]. Отобрав 88 здоровых людей, просканировав их при выполнении различных задач на активность в сети DMN, они смоделировали различные связи между сетями. Оптимальной оказалась та модель, в которой процессы, связанные с восприятием собственного «я», управлялись активностью задней поясной коры и регулировались медиальной префронтальной корой.

Медиальное дорсальное ядро таламуса и базальный передний мозг модулируют активность сети по умолчанию

Медиальное дорсальное ядро таламуса (Mediodorsal Thalamus MD) и базальный передний мозг (Basal Forebrain BF) — подкорковые структуры, которые выполняют важную роль в активации и регуляции сети по умолчанию. Ученые из Мельбурнского университета нейропсихиатрии установили, что таламус принимает участие в задачах на самоанализ и определения «я», в то время как базальный передний мозг переключает сеть с отдыха на самоориентрованную активность, а также на внешние задачи (рис. 7).

Сеть по умолчанию и креативность

Креативность — это умение человека генерировать новые и полезные идеи.

Нельзя определить одну структуру как ответственную за креативность, но у нас есть прекрасные сети мозга, которые как раз-таки приоткрывают небольшую завесу тайны над данной сложной когнитивной функцией.

Ученые из Израиля придумали довольно оригинальный метод для определения роли сети по умолчанию в заданиях на креативность [14]. Они решили, что пока проходит операция по удалению опухоли, можно стимулировать напрямую дефолтную сеть мозга и посмотреть, что будет.

Суть исследования была в том, что ученые с помощью заданий оценивали дивергентное мышление (которое является одним из компонентов креативного мышления), где испытуемый должен предложить разнообразные альтернативные варианты использования обычных повседневных предметов. Оценивались два параметра — это оригинальность и скорость мышления.

Прямая стимуляция коры на пациентах (с полного их согласия и используя специальные неинвазивные электроды) во время операции на мозге позволила получить довольно интересные результаты. Так, стимуляция главных узлов DMN приводила к снижению скорости придумывания альтернативных вариантов, но не снижала оригинальности. Таким образом, можно сделать вывод о том, что сеть мозга по умолчанию вовлечена больше в развитие одной какой-либо идеи (оригинальность), чем подбор нескольких (скорость мышления).

Связь сети по умолчанию с болезнями и психическими расстройствами

Наконец, изменение связности в DMN наблюдается при большом количестве заболеваний мозга, включая болезнь Альцгеймера, болезнь Паркинсона, шизофрению, депрессию, височную эпилепсию, синдром дефицита внимания и гиперактивности, наркоманию и другие. Здесь будет несколько любопытных примеров.

Пациенты с болезнью Альцгеймера демонстрируют общее снижение активности мозга, которое коррелирует с симптомами расстройства. Сеть режима по умолчанию и сеть внимания противопоставлены друг другу, или же антикоррелируют. Но при болезни Альцгеймера и легких когнитивных нарушениях эта антикорреляция нарушается [15]. Поэтому можно надеяться на то, что глубокий анализ сети мозга по умолчанию у человека откроет возможности обнаруживать болезнь Альцгеймера на ранних стадиях.

Ослабленные связи между функциональными центрами сети по умолчанию наблюдались при увеличении тяжести симптомов посттравматического стрессового расстройства. Важную роль в этом процессе играла медиальная префронтальная кора, так как она участвует в вознаграждении, и, из-за ослабевших связей, мотивация в целом снижалась. Поэтому возможно, что нарушения в этой области связаны с распространенными негативными мыслями, которые часто присутствуют при ПТСР. Эти результаты можно использовать для лечения ПТСР с помощью стимуляции префронтальной коры [16].

У пациентов с шизофренией наблюдается повышенная активность сети по умолчанию. Существует гипотеза, связывающая галлюцинации при шизофрении с этой повышенной активностью, из-за которой больные не могут переключиться на информацию от внешних стимулов [17].

Таким образом, информация об организации, строении и связях в сети мозга по умолчанию, и, самое главное, изменения в ней при болезнях, могут играть важную роль в клинической нейрофизиологии и психиатрии [18].

Заключительное слово

Подводя итоги, можно сказать, что сеть мозга по умолчанию — это сложная система, которая жизненно важна для коммуникации, познания и восприятия эмоций в человеческом мозге. Понимание сети мозга по умолчанию может помочь нам лучше понять механизмы работы мозга и расширить наши знания в области неврологии и психического здоровья, а также приоткрыть завесу тайны рождения нашего «я».

Литература

1. 12 методов в картинках: нейробиология;
2. Gordon L. Shulman, Julie A. Fiez, Maurizio Corbetta, Randy L. Buckner, Francis M. Miezin, et. al.. (1997). Common Blood Flow Changes across Visual Tasks: II. Decreases in Cerebral Cortex. Journal of Cognitive Neuroscience. 9, 648-663;
3. Marcus E. Raichle, Ann Mary MacLeod, Abraham Z. Snyder, William J. Powers, Debra A. Gusnard, Gordon L. Shulman. (2001). A default mode of brain function. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A.. 98, 676-682;
4. Marcus E. Raichle. (2015). The Brain's Default Mode Network. Annu. Rev. Neurosci.. 38, 433-447;
5. Randy L. Buckner, Lauren M. DiNicola. (2019). The brain’s default network: updated anatomy, physiology and evolving insights. Nat Rev Neurosci. 20, 593-608;
6. Jie Lisa Ji, Marjolein Spronk, Kaustubh Kulkarni, Grega Repovs, Alan Anticevic, Michael W. Cole Mapping the human brain's cortical-subcortical functional network organization — Cold Spring Harbor Laboratory;
7. Christopher G. Davey, Jesus Pujol, Ben J. Harrison. (2016). Mapping the self in the brain's default mode network. NeuroImage. 132, 390-397;
8. Ben J Harrison, Christopher G Davey, Hannah S Savage, Alec J Jamieson, Christine A Leonards, et. al.. (2022). Dynamic subcortical modulators of human default mode network function. Cerebral Cortex. 32, 4345-4355;
9. Jessica R. Andrews-Hanna. (2012). The Brain’s Default Network and Its Adaptive Role in Internal Mentation. Neuroscientist. 18, 251-270;
10. Sheng Zhang, Chiang-Shan R. Li. (2014). Functional Clustering of the Human Inferior Parietal Lobule by Whole-Brain Connectivity Mapping of Resting-State Functional Magnetic Resonance Imaging Signals. Brain Connectivity. 140130070445002;
11. Andreas Horn, Dirk Ostwald, Marco Reisert, Felix Blankenburg. (2014). The structural–functional connectome and the default mode network of the human brain. NeuroImage. 102, 142-151;
12. Lucina Q. Uddin, B. T. Thomas Yeo, R. Nathan Spreng. (2019). Towards a Universal Taxonomy of Macro-scale Functional Human Brain Networks. Brain Topogr. 32, 926-942;
13. Pedro Nascimento Alves, Chris Foulon, Vyacheslav Karolis, Danilo Bzdok, Daniel S. Margulies, et. al.. (2019). An improved neuroanatomical model of the default-mode network reconciles previous neuroimaging and neuropathological findings. Commun Biol. 2;
14. Ben Shofty, Tal Gonen, Eyal Bergmann, Naama Mayseless, Akiva Korn, et. al.. (2022). The default network is causally linked to creative thinking. Mol Psychiatry. 27, 1848-1854;
15. Junkai Wang, Jianghong Liu, Zhiqun Wang, Pei Sun, Kuncheng Li, Peipeng Liang. (2019). Dysfunctional interactions between the default mode network and the dorsal attention network in subtypes of amnestic mild cognitive impairment. Aging. 11, 9147-9166;
16. Teddy J. Akiki, Christopher L. Averill, Kristen M. Wrocklage, J. Cobb Scott, Lynnette A. Averill, et. al.. (2018). Default mode network abnormalities in posttraumatic stress disorder: A novel network-restricted topology approach. NeuroImage. 176, 489-498;
17. Wenbin Guo, Feng Liu, Jindong Chen, Renrong Wu, Lehua Li, et. al.. (2017). Hyperactivity of the default-mode network in first-episode, drug-naive schizophrenia at rest revealed by family-based case–control and traditional case–control designs. Medicine. 96, e6223;
18. Jessica R. Andrews-Hanna, Jonathan Smallwood, R. Nathan Spreng. (2014). The default network and self-generated thought: component processes, dynamic control, and clinical relevance. Ann. N.Y. Acad. Sci.. 1316, 29-52.