Ритмы без ритма: мозг и его внутренние циклы активности
#neuroscience
Публикация: van Es, M. W., Higgins, C., Gohil, C., Quinn, A. J., Vidaurre, D., & Woolrich, M. W. (2025). Large-scale cortical functional networks are organized in structured cycles. Nature Neuroscience, 1-11.
Недавнее исследование в Nature Neuroscience показало, что большие функциональные сети мозга даже в состоянии покоя активируются не спонтанно, а следуют устойчивым циклам.
Авторы проанализировали данные магнитоэнцефалографии (МЭГ) из пяти крупных наборов данных, содержащих записи участников разных возрастов. Из сигналов были выделены состояния, соответствующие каноничным функциональным сетям мозга, среди которых:
- DMN (default-mode network), отражающая активность мозга в состоянии покоя;
- сеть внимания;
- сенсомоторная сеть;
- лобно-височная сеть, вовлечённая в процессы контроля и интеграции информации;
- языковая сеть.
Чтобы проследить, как эти состояния сменяют друг друга, исследователи разработали новый метод — TINDA (Temporal Interval Network Density Analysis), который оценивает вероятность того, что одна сеть активируется раньше или позже другой на разных временных масштабах.
Результаты показали, что, хотя отдельные переходы между сетями выглядят случайными, в целом их активность складывается в устойчивый цикл, который воспроизводится у разных людей и в разных наборах данных. Верхняя часть цикла (см. рисунок) объединяет состояния с высокой мощностью и сильной когерентностью: то есть моменты, когда многие области мозга активизируются синхронно, образуя интегрированные сети, пространственно схожие с дефолт-системой (DMN) и связанные с внутренней ориентацией внимания. В нижней части цикла, напротив, активность становится менее согласованной и более локальной, преобладают сенсомоторные сети и сети внимания, отвечающие за взаимодействие с внешней средой. Иными словами, мозг ритмически перестраивает степень своей внутренней согласованности: от интеграции к специализации, от интроспекции к действию и обратно.
Интересно, что “восточной” стороне цикла преобладает более высокочастотная активность (в альфа/бета-диапазонах), связанная с сенсомоторным торможением. А на “западной” — низкочастотные колебания в дельта/тета-диапазонах, чаще в лобно-височных и языковых областях. Это означает, что цикл организует переключение между частотными доменами, а не только между пространственно определенными сетями. Длина же циклов составляет 300-1000 мс, но это не ритмы мозга в привычном смысле. TINDA выявляет не регулярные колебания мощности, а последовательные переходы между состояниями, у которых нет фиксированного периода.
Скорость и сила выявленных циклов оказались связаны с возрастом и когнитивными показателями, а у близнецов — даже с генетическим сходством. В частности, люди с более быстрыми и менее “жёсткими” циклами имеют лучшие когнитивные показатели (память и скорость обработки информации). Этот эффект противоположен возрастным изменениям.
Интересно, что циклы наблюдаются не только в состоянии покоя, но и во время выполнения задач — например, когда участники вспоминают последовательности образов или реагируют на лица. Причём в задаче с реакцией на лица фаза цикла за ~500 мс до нажатия предсказывала время реакции.
Такое направленное чередование состояний отражает то, что в физике обозначается как нарушение детального равновесия (broken detailed balance): мозг не возвращается в прежнее состояние, а движется по замкнутому, но асимметричному циклу. Это признак неравновесной, энергозатратной динамики, характерной для живых систем, в которых постоянно поддерживается направленный поток информации. Авторы также предполагают, что описанная цикличность может быть механизмом своеобразной когнитивной “гигиены”: периодического обновления когнитивных функций, обеспечивающего чередование состояний внимания, памяти и восприятия.
#neuroscience
Публикация: van Es, M. W., Higgins, C., Gohil, C., Quinn, A. J., Vidaurre, D., & Woolrich, M. W. (2025). Large-scale cortical functional networks are organized in structured cycles. Nature Neuroscience, 1-11.
Недавнее исследование в Nature Neuroscience показало, что большие функциональные сети мозга даже в состоянии покоя активируются не спонтанно, а следуют устойчивым циклам.
Авторы проанализировали данные магнитоэнцефалографии (МЭГ) из пяти крупных наборов данных, содержащих записи участников разных возрастов. Из сигналов были выделены состояния, соответствующие каноничным функциональным сетям мозга, среди которых:
- DMN (default-mode network), отражающая активность мозга в состоянии покоя;
- сеть внимания;
- сенсомоторная сеть;
- лобно-височная сеть, вовлечённая в процессы контроля и интеграции информации;
- языковая сеть.
Чтобы проследить, как эти состояния сменяют друг друга, исследователи разработали новый метод — TINDA (Temporal Interval Network Density Analysis), который оценивает вероятность того, что одна сеть активируется раньше или позже другой на разных временных масштабах.
Результаты показали, что, хотя отдельные переходы между сетями выглядят случайными, в целом их активность складывается в устойчивый цикл, который воспроизводится у разных людей и в разных наборах данных. Верхняя часть цикла (см. рисунок) объединяет состояния с высокой мощностью и сильной когерентностью: то есть моменты, когда многие области мозга активизируются синхронно, образуя интегрированные сети, пространственно схожие с дефолт-системой (DMN) и связанные с внутренней ориентацией внимания. В нижней части цикла, напротив, активность становится менее согласованной и более локальной, преобладают сенсомоторные сети и сети внимания, отвечающие за взаимодействие с внешней средой. Иными словами, мозг ритмически перестраивает степень своей внутренней согласованности: от интеграции к специализации, от интроспекции к действию и обратно.
Интересно, что “восточной” стороне цикла преобладает более высокочастотная активность (в альфа/бета-диапазонах), связанная с сенсомоторным торможением. А на “западной” — низкочастотные колебания в дельта/тета-диапазонах, чаще в лобно-височных и языковых областях. Это означает, что цикл организует переключение между частотными доменами, а не только между пространственно определенными сетями. Длина же циклов составляет 300-1000 мс, но это не ритмы мозга в привычном смысле. TINDA выявляет не регулярные колебания мощности, а последовательные переходы между состояниями, у которых нет фиксированного периода.
Скорость и сила выявленных циклов оказались связаны с возрастом и когнитивными показателями, а у близнецов — даже с генетическим сходством. В частности, люди с более быстрыми и менее “жёсткими” циклами имеют лучшие когнитивные показатели (память и скорость обработки информации). Этот эффект противоположен возрастным изменениям.
Интересно, что циклы наблюдаются не только в состоянии покоя, но и во время выполнения задач — например, когда участники вспоминают последовательности образов или реагируют на лица. Причём в задаче с реакцией на лица фаза цикла за ~500 мс до нажатия предсказывала время реакции.
Такое направленное чередование состояний отражает то, что в физике обозначается как нарушение детального равновесия (broken detailed balance): мозг не возвращается в прежнее состояние, а движется по замкнутому, но асимметричному циклу. Это признак неравновесной, энергозатратной динамики, характерной для живых систем, в которых постоянно поддерживается направленный поток информации. Авторы также предполагают, что описанная цикличность может быть механизмом своеобразной когнитивной “гигиены”: периодического обновления когнитивных функций, обеспечивающего чередование состояний внимания, памяти и восприятия.