در سراسر قشر مغز، نورون‌ها در شش لایه مجزا قرار گرفته‌اند که به راحتی زیر میکروسکوپ قابل مشاهده هستند. تیمی از دانشمندان علوم اعصاب از MIT و دانشگاه وندربیلت اکنون دریافته‌اند که این لایه‌ها الگوهای متمایزی از فعالیت الکتریکی را نشان می‌دهند که در بسیاری از مناطق مغز و چندین گونه جانوری از جمله انسان‌ها ثابت است.
محققان دریافتند که در بالاترین لایه‌ها، نوسانات سریعی که به عنوان امواج گاما شناخته می‌شوند، بر فعالیت عصبی غالب است. در لایه های عمیق تر، نوسانات آهسته تری به نام امواج آلفا و بتا غالب است. محققان می گویند جهانی بودن این الگوها نشان می دهد که این نوسانات احتمالاً نقش مهمی در مغز بازی می کنند.
ارل میلر، پروفسور علوم اعصاب Picower، یکی از اعضای مؤسسه Picower برای یادگیری و حافظه MIT، و یکی از اعضای مؤسسه Picower برای یادگیری و حافظه، می‌گوید: «وقتی چیزی بسیار ثابت و همه‌جا در قشر مغز می‌بینید، نقش بسیار اساسی در کاری که قشر مغز انجام می‌دهد بازی می‌کند. نویسندگان ارشد مطالعه جدید
به گفته محققان، عدم تعادل در نحوه تعامل این نوسانات ممکن است با اختلالات مغزی مانند اختلال کمبود توجه بیش فعالی مرتبط باشد.
فعالیت عصبی بیش از حد همزمان به عنوان نقشی در صرع شناخته شده است، و ما اکنون گمان می کنیم که آسیب شناسی های مختلف همزمانی ممکن است در بسیاری از اختلالات مغزی، از جمله اختلالات ادراک، توجه، حافظه و کنترل حرکتی نقش داشته باشد. رابرت دیسیمون، مدیر مؤسسه مغز مک گاورن MIT و یکی از نویسندگان اصلی این مطالعه، می‌گوید: در یک ارکستر، یکی از سازها که با سازهای دیگر هماهنگ نیست، می‌تواند انسجام کل قطعه موسیقی را مختل کند.
آندره باستوس، استادیار روانشناسی در دانشگاه واندربیلت، همچنین نویسنده ارشد مقاله دسترسی آزاد است که امروز در ظاهر می شود نورولوژی طبیعت. نویسندگان اصلی این مقاله، محقق MIT، دیگو مندوزا هالیدی و پسادکتر MIT، الکس میجر هستند.
لایه های فعالیت
مغز انسان حاوی میلیاردها نورون است که هر کدام الگوهای شلیک الکتریکی خاص خود را دارند. گروه‌هایی از نورون‌ها با الگوهای مشابه، نوسان‌هایی از فعالیت الکتریکی یا امواج مغزی را ایجاد می‌کنند که می‌توانند فرکانس‌های متفاوتی داشته باشند. آزمایشگاه میلر دارد قبلا نشان داده شده است ریتم‌های گامای فرکانس بالا با رمزگذاری و بازیابی اطلاعات حسی مرتبط هستند، در حالی که ریتم‌های بتا با فرکانس پایین به عنوان مکانیزم کنترلی عمل می‌کنند که تعیین می‌کند کدام اطلاعات از حافظه فعال خوانده می‌شود.
آزمایشگاه او همچنین دریافته است که در بخش‌های خاصی از قشر پیش پیشانی، لایه‌های مختلف مغز الگوهای نوسانی مشخصی را نشان می‌دهند: نوسان سریع‌تر در سطح و نوسان آهسته‌تر در لایه‌های عمیق‌تر. یکی مطالعهزمانی که باستوس در آزمایشگاه میلر فوق دکترا بود، نشان داد که در حالی که حیوانات وظایف حافظه کاری را انجام می‌دهند، ریتم‌های فرکانس پایین‌تر تولید شده در لایه‌های عمیق‌تر، ریتم‌های گامای فرکانس بالاتر تولید شده در لایه‌های سطحی را تنظیم می‌کنند.
قشر مغز علاوه بر حافظه فعال، مرکز تفکر، برنامه ریزی و پردازش سطح بالای اطلاعات عاطفی و حسی نیز می باشد. در مناطق درگیر در این عملکردها، نورون ها در شش لایه قرار گرفته اند و هر لایه ترکیب متمایز خود را از انواع سلول ها و ارتباطات با سایر مناطق مغز دارد.
Mendoza-Halliday می‌گوید: «قشر مغز از نظر تشریحی به شش لایه سازمان‌دهی شده است، چه موش‌ها، انسان‌ها یا سایر گونه‌های پستانداران را نگاه کنید، و این الگو در تمام نواحی قشر هر گونه وجود دارد. متأسفانه، بسیاری از مطالعات مربوط به فعالیت مغز، این لایه‌ها را نادیده می‌گیرند، زیرا وقتی فعالیت نورون‌ها را ثبت می‌کنید، دشوار است بدانید که آنها در کجای این لایه‌ها قرار دارند.
در مقاله جدید، محققان می‌خواستند بررسی کنند که آیا الگوی لایه‌ای نوسانی که در قشر جلوی مغز دیده‌اند، گسترده‌تر است و در قسمت‌های مختلف قشر و در میان گونه‌ها رخ می‌دهد یا خیر.
محققان با استفاده از ترکیبی از داده‌های به‌دست‌آمده در آزمایشگاه میلر، آزمایشگاه Desimon و آزمایشگاه‌های همکاران در Vanderbilt، موسسه علوم اعصاب هلند و دانشگاه غربی انتاریو، توانستند 14 ناحیه مختلف از قشر چهار گونه پستاندار را تجزیه و تحلیل کنند. این داده ها شامل ضبط فعالیت های الکتریکی از سه بیمار بود که الکترودهایی را در مغزشان به عنوان بخشی از یک عمل جراحی قرار داده بودند.
ضبط از لایه‌های قشر منفرد در گذشته دشوار بوده است، زیرا هر لایه کمتر از یک میلی‌متر ضخامت دارد، بنابراین دشوار است که بفهمیم الکترود از کدام لایه ضبط می‌کند. برای این مطالعه، فعالیت الکتریکی با استفاده از الکترودهای ویژه ای که از تمام لایه ها به طور همزمان ضبط می کنند، ثبت شد، سپس داده ها را به یک الگوریتم محاسباتی جدید طراحی شده توسط نویسندگان به نام FLIP (روش شناسایی لایه مبتنی بر فرکانس) وارد می کند. این الگوریتم می تواند تعیین کند که هر سیگنال از کدام لایه می آید.
“فناوری جدیدتر اجازه می دهد تا تمام لایه های قشر به طور همزمان ثبت شوند. ماژور می‌گوید که این چشم‌انداز وسیع‌تری از ریزمدار را ترسیم می‌کند و به ما امکان می‌دهد این الگوی لایه‌ای را مشاهده کنیم. این کار هیجان‌انگیز است زیرا هم برای یک مدل ریزمدار پایه آموزنده است و هم یک تکنیک جدید قوی برای مطالعه مغز ارائه می‌کند. فرقی نمی کند که مغز در حال انجام یک کار باشد یا در حال استراحت، و می توان آن را فقط برای پنج تا 10 ثانیه تحت نظر داشت.
در تمام گونه‌ها، در هر منطقه مورد مطالعه، محققان الگوی لایه‌ای یکسانی از فعالیت را پیدا کردند.
ما یک تجزیه و تحلیل انبوه از تمام داده‌ها انجام دادیم تا ببینیم آیا می‌توانیم الگوی یکسانی را در تمام نواحی قشر مغز پیدا کنیم، و voila در همه جا وجود دارد. مندوزا-هالیدی می گوید: «این یک نشانه واقعی بود که آنچه قبلاً در چندین ناحیه مشاهده شده بود نشان دهنده مکانیسم زیربنایی در قشر مغز بود.
حفظ تعادل
یافته ها از الف حمایت می کنند مدل که قبلاً آزمایشگاه میلر ارائه کرده بود و نشان می‌داد که سازمان فضایی مغز به آن کمک می‌کند تا اطلاعات جدیدی را که توسط نوسانات فرکانس بالا به حافظه‌ها و فرآیندهای مغزی موجود که توسط نوسانات فرکانس پایین پشتیبانی می‌شوند، ادغام کند. همانطور که اطلاعات از لایه ای به لایه دیگر جریان می یابد، ورودی را می توان در صورت نیاز روشن کرد تا به مغز کمک کند کارهای خاصی را انجام دهد، مانند پختن دستور پخت کوکی جدید یا به خاطر سپردن شماره تلفن.
باستوس می‌گوید: «پیامد جداسازی آرام این فرکانس‌ها، همانطور که مشاهده کردیم، ممکن است به لایه‌های سطحی اجازه دهد تا اطلاعات حسی خارجی را در فرکانس‌های سریع‌تر و لایه‌های عمیق برای نمایش حالت‌های شناختی درونی در فرکانس‌های آهسته‌تر نشان دهند. مفهوم سطح بالا این است که قشر مغز دارای مکانیسم‌های متعددی است که شامل آناتومی و نوسانات می‌شود تا اطلاعات «خارجی» را از «داخلی» جدا کند.»
بر اساس این نظریه، عدم تعادل بین نوسانات با فرکانس بالا و پایین می‌تواند منجر به نقص توجه مانند ADHD، زمانی که فرکانس‌های بالاتر غالب است و اطلاعات حسی بیش از حد وارد می‌شود، یا اختلالات هذیانی مانند اسکیزوفرنی، زمانی که نوسانات فرکانس پایین وجود دارد، شود. اطلاعات بسیار قوی و ناکافی حسی.
میلر می گوید: «تعادل صحیح بین سیگنال های کنترلی از بالا به پایین و سیگنال های حسی از پایین به بالا برای هر کاری که قشر مغز انجام می دهد مهم است. زمانی که تعادل به هم می‌خورد، طیف گسترده‌ای از اختلالات عصبی روانی را تجربه می‌کنید.»
اکنون محققان در حال بررسی هستند که آیا اندازه گیری این نوسانات می تواند به تشخیص این نوع اختلالات کمک کند یا خیر. به گفته محققان، آنها همچنین در حال بررسی این موضوع هستند که آیا نوسانات تعادل مجدد می تواند رفتار را تغییر دهد، رویکردی که روزی می تواند برای درمان کمبود توجه یا سایر اختلالات عصبی مورد استفاده قرار گیرد.
محققان همچنین امیدوارند با آزمایشگاه‌های دیگر برای توصیف جزئیات بیشتر الگوهای لایه‌ای نوسان در نواحی مختلف مغز همکاری کنند.
ما امیدواریم که با این گزارش‌های استاندارد شده، شاهد الگوهای مشترک فعالیت در دامنه‌ها یا توابع باشیم که می‌تواند یک مکانیسم محاسباتی مشترک را نشان دهد که می‌تواند برای عملکرد حرکتی، بینایی، حافظه و توجه و غیره استفاده شود. مندوزا هالیدی می گوید.
این تحقیق توسط دفتر تحقیقات دریایی ایالات متحده، مؤسسه ملی بهداشت ایالات متحده، مؤسسه ملی چشم ایالات متحده، مؤسسه ملی بهداشت روانی ایالات متحده، مؤسسه Picower، مرکز Simons برای کمک هزینه تحصیلی فوق دکتری مغز اجتماعی، و کانادا تأمین شده است. موسسات فلوشیپ فوق دکترا در مراقبت های بهداشتی.
