Новый нейроимплант одновременно отслеживает активность в нескольких областях мозга

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

Исследование стало возможным благодаря разработке нейроимпланта, который мониторит активность разных частей мозга одновременно, от поверхности до глубоких структур — впервые в этой области. Используя эту новую технологию, исследователи показывают, что разнообразные паттерны двустороннего общения происходят между двумя областями мозга, известными своей ролью в обучении и формировании памяти — гиппокампом и церебральной корой. Исследователи также показывают, что эти различные паттерны общения связаны с событиями, называемыми острыми волновыми рябями, которые происходят в гиппокампе во сне и покое.

«Наш нейроимплант универсален; он может быть применен к любой области мозга и позволить изучать другие кортикальные и субкортикальные области, не только гиппокамп и céréбральную кору», — сказала профессор Дуйгу Кузум.

Нейроимплант состоит из тонкой, прозрачной, гибкой полимерной полосы, изготовленной с массивом золотых электродов микрометрового размера, на которые осаждены платиновые наночастицы. Каждый электрод соединен микрометровым проводом с индивидуально печатной печатной платой. Он может записывать электрические сигналы от отдельных нейронов глубоко внутри мозга, как в гиппокампе, в то время как визуализирует большие области, как мозговая кора.

Несколько дизайнерских особенностей делают возможным мониторинг нескольких областей. Одна из них — этот зонд гибкий. Когда он вставляется глубоко в мозг для мониторинга области, такой как гиппокамп, часть, выходящая из мозга, может быть согнута вниз, чтобы освободить место для микроскопа, который может быть опущен близко к поверхности для визуализации мозговой коры одновременно. Конвенциональные 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 выдерживать изгиб под давлением во время вставки. Другая важная особенность — зонд прозрачный, поэтому он дает микроскопу чистое поле зрения. Он также не генерирует никаких теней или дополнительного шума во время визуализации.

Мотивация для этого исследования — докопаться до корня того, как различные когнитивные процессы, такие как обучение и формирование памяти, происходят в мозге. Такие процессы включают общение между гиппокампом и мозговой корой. Но как именно происходит это общение? И какая область мозга инициирует это общение: гиппокамп или мозговая кора? Эти типы вопросов оставались без ответа, потому что очень трудно изучать эти две области мозга одновременно, сказала Кузум.

Исследователи использовали свой зонд для мониторинга активности гиппокампа и мозговой коры в трансгенных мышах. Конкретно, они мониторили активность до, во время и после осцилляций, называемых острыми волновыми рябями, возникающих в гиппокампе. Их эксперименты раскрыли, что общение между гиппокампом и мозговой корой двустороннее: иногда кор инициирует общение, в другие случаи — гиппокамп. Это важная первая подсказка для понимания межрегионального общения в мозге, сказали исследователи.

«Двустороннее общение, которое мы сообщили здесь, отличается от обычного представления о том, что кора пассивно получает информацию от гиппокампа. Вместо этого кора активно участвует в кодировании информации в мозг и может играть инструктивную роль во время консолидации и извлечения памяти», — сказал доктор Чи Жэнь, один из исследователей.