Нейронный имплантат контролирует несколько областей мозга одновременно

Как различные части мозга взаимодействуют друг с другом во время обучения и формирования памяти? Новое исследование ученых из Калифорнийского университета в Сан-Диего делает первый шаг к ответу на этот фундаментальный вопрос нейронауки.

Исследование стало возможным благодаря разработке нейронного имплантата, который одновременно отслеживает активность различных частей мозга, от поверхностных до глубоких структур — впервые в этой области. Используя эту новую технологию, исследователи показывают, что между двумя областями мозга, которые, как известно, играют роль в обучении и формировании памяти, — гиппокампом и корой головного мозга — возникают различные модели двусторонней связи. Исследователи также показывают, что эти различные модели коммуникации связаны с событиями, называемыми пульсациями острых волн, которые возникают в гиппокампе во время сна и отдыха.

«Наш нейронный имплантат универсален; его можно применять к любой области мозга и позволяет изучать другие корковые и подкорковые области мозга, а не только гиппокамп и кору головного мозга», — сказал профессор Дуйгу Кузум.

Нейронный имплантат состоит из тонкой, прозрачной, гибкой полимерной полосы, изготовленной из массива золотых электродов микрометрового размера, на которые нанесены наночастицы платины. Каждый электрод соединен микрометровым проводом с изготовленной на заказ печатной платой. Он может записывать электрические сигналы от отдельных нейронов глубоко внутри мозга, например, в гиппокампе, и визуализировать большие области, такие как кора головного мозга.

Несколько конструктивных особенностей делают возможным мониторинг нескольких регионов. Во-первых, этот зонд является гибким. Когда его вводят глубоко в мозг для наблюдения за такой областью, как гиппокамп, часть, которая выступает из мозга, можно согнуть, чтобы освободить место для микроскопа, который можно опустить близко к поверхности, чтобы сделать изображение коры головного мозга в верхней части. в то же время. Обычные нейронные зонды жесткие, поэтому они мешают микроскопу; в результате их нельзя использовать для мониторинга глубоких структур мозга при визуализации поверхности мозга. И хотя этот нейронный зонд мягкий и гибкий, он спроектирован таким образом, чтобы выдерживать изгибание под давлением во время введения. Еще одной важной особенностью является то, что зонд прозрачен, что дает микроскопу четкое поле зрения. Он также не создает теней или дополнительных шумов во время визуализации.

Мотивация для этого исследования заключалась в том, чтобы понять, как в мозгу происходят различные когнитивные процессы, такие как обучение и формирование памяти. Такие процессы включают связь между гиппокампом и корой головного мозга. Но как именно происходит это общение? И какая область мозга инициирует эту коммуникацию:гиппокамп или кора головного мозга? По словам Кузума, такие вопросы остались без ответа, потому что очень сложно одновременно изучать эти две области мозга.

Исследователи использовали свой зонд для мониторинга активности гиппокампа и коры головного мозга у трансгенных мышей. В частности, они отслеживали активность до, во время и после того, как в гиппокампе возникают колебания, называемые островолновыми пульсациями. Их эксперименты показали, что связь между гиппокампом и корой головного мозга двусторонняя:иногда связь инициирует кора, иногда — гиппокамп. По словам исследователей, это важный первый ключ к пониманию межрегиональной коммуникации в мозге.

«Двусторонняя связь, о которой мы здесь рассказали, отличается от общепринятого представления о том, что кора пассивно получает информацию от гиппокампа. Вместо этого кора головного мозга активно участвует в кодировании информации в мозг и может играть поучительную роль во время консолидации и извлечения памяти», — сказал доктор Чи Рен, один из исследователей.