Редкие до- и послеоперационные записи показывают, что происходит после того, как мозг теряет центральный узел

Международная группа нейробиологов под руководством Университета Айовы получила первые прямые записи человеческого мозга за несколько минут до и после хирургического отключения мозгового узла, отвечающего за значение языка. Результаты показывают важность мозговых концентраторов в нейронных сетях и удивительный способ, которым человеческий мозг пытается компенсировать потерю концентратора с не наблюдавшейся ранее оперативностью.

Хабы есть везде. Ступица велосипедного колеса со спицами, выступающими из центра, предохраняет колесо от разрушения во время езды на велосипеде. Узлы аэропортов соединяют города по всему миру. И социальные центры, такие как кофейни или социальные сети в Интернете — это места, где люди собираются для общения.

В человеческом мозге тоже есть центры — пересечение множества нейронных путей, которые помогают координировать действия. мозговая деятельность необходим для сложных функций, таких как понимание речи и реагирование на нее. Однако вопрос о том, незаменимы ли сильно взаимосвязанные центры мозга для определенных функций мозга, остается спорным.

По некоторым данным, мозг, как уже сильно взаимосвязанная нейронная сеть, в принципе может немедленно компенсировать потерю хаба, точно так же, как трафик можно перенаправить вокруг заблокированного центра города.

Имея редкую экспериментальную возможность, нейрохирургические и исследовательские группы UI под руководством Мэтью Ховарда III, доктора медицинских наук, профессора и руководителя нейрохирургии, и Кристофера Петкова, доктора философии, профессора и заместителя председателя по исследованиям в области нейрохирургии, достигли прорыва в понимании необходимость единого концентратора.

Получив доказательства того, что происходит, когда центр, необходимый для языкового значения, теряется, исследователи показали как внутреннюю важность узла, так и замечательную и быструю способность мозга адаптироваться и, по крайней мере частично, попытаться немедленно компенсировать его потерю. . Выводы были недавно сообщалось в журнале Природные коммуникации.

Оценка последствий потери мозгового центра

Исследование проводилось во время хирургическое лечение двух больных эпилепсией. Оба пациента подвергались процедурам, которые требовали хирургического удаления передней височной доли (мозгового центра, отвечающего за значение языка), чтобы дать нейрохирургам доступ к более глубоким участкам мозга, вызывающим изнурительные эпилептические припадки пациентов.

Перед этим типом операции бригады нейрохирургов часто просят пациентов выполнить речевые и языковые задания в операционная поскольку команда использует имплантированные электроды для регистрации активности частей мозга, близких и удаленных от области запланированной операции. Эти записи помогают клинической команде эффективно лечить судороги, ограничивая при этом влияние операции на речь и языковые способности пациента.

Обычно записывающие электроды не нужны после хирургической резекции и удаляются. Новшеством в этом исследовании было то, что команда нейрохирургов смогла безопасно завершить процедуру, оставив записывающие электроды на месте или заменив их на то же место после процедуры.

Это позволило получить редкие до- и послеоперационные записи, позволяющие исследователям оценивать сигналы из областей мозга, удаленных от центра, включая речевые и языковые области, удаленные от места операции. Анализ изменения ответов на звуки речи до и после потери хаба выявил быстрое нарушение передачи сигналов и последующую частичную компенсацию более широкой сети мозга.

«Быстрое воздействие на области обработки речи и языка, удаленные от места хирургического лечения, было удивительным, но еще более удивительным было то, как мозг работал, чтобы компенсировать это, хотя и не полностью, в течение этого короткого периода времени», — говорит Петков, который также считает, что запись на прием в Медицинскую школу Университета Ньюкасла в Великобритании.

Полученные данные опровергают теории, оспаривающие необходимость наличия определенных мозговых центров, показывая, что эти центры важны для поддержания нормальной обработки мозгом речи.

«Нейрохирургическое лечение и новые технологии продолжают улучшать варианты лечения, предоставляемые пациентам», — говорит Ховард, который также является членом Института нейробиологии Айовы. «Подобные исследования подчеркивают важность безопасного получения и сравнения электрических записей до и после операции, особенно когда может быть затронут центр мозга».

По мнению исследователей, наблюдение за природой немедленного воздействия на нейронную сеть и ее быструю попытку компенсации является свидетельством в поддержку теории мозга, предложенной профессором Карлом Фристоном из Университетского колледжа Лондона, которая утверждает, что любая самоорганизующаяся система в состоянии равновесия стремится к упорядоченности, минимизируя свою свободную энергию, что является сопротивлением универсальной тенденции к беспорядку.

Эти нейробиологические результаты, следующие человеческий мозг отключение концентратора соответствовало нескольким предсказаниям этой и связанных с ней нейробиологических теорий, показывающих, как мозг работает, чтобы попытаться восстановить порядок после потери одного из своих узлов.

Помимо Петкова и Ховарда, в исследовательскую группу вошли исследователи из кафедр нейрохирургии, радиологии, психологии и наук о мозге UI, а также коллеги из Университета Ньюкасла, UCL и Кембриджского университета в Великобритании, а также из Университета Карнеги-Меллона. , Университет Висконсин-Мэдисон и Университет Гонзага в США.