뇌파 주파수의 보편적인 패턴이 밝혀졌습니다.

뇌의 피질 전체에 걸쳐 뉴런은 6개의 독특한 층으로 배열되어 있으며 현미경으로 쉽게 볼 수 있습니다. MIT 신경과학자 팀은 이제 이러한 층이 인간을 포함한 여러 동물 종과 많은 뇌 영역에서 일관되는 ​​뚜렷한 전기 활동 패턴을 보여준다는 사실을 발견했습니다.

연구진은 최상층에서 뉴런 활동이 감마파로 알려진 빠른 진동에 의해 지배된다는 사실을 발견했습니다. 더 깊은 층에서는 알파파와 베타파라고 불리는 느린 진동이 우세합니다. 이러한 패턴의 보편성은 이러한 진동이 뇌 전반에 걸쳐 중요한 역할을 할 가능성이 있음을 시사한다고 연구진은 말합니다.

“피질 전반에 걸쳐 일관되고 어디에나 존재하는 무언가를 볼 때, 그것은 피질이 하는 일에서 매우 근본적인 역할을 하는 것입니다.”라고 MIT 피코워 학습 및 기억 연구소 회원이자 신경과학 교수인 얼 밀러(Earl Miller)는 말합니다. 새로운 연구의 수석 저자.

이러한 진동이 서로 상호 작용하는 방식의 불균형은 주의력 결핍 과잉 행동 장애와 같은 뇌 장애와 관련이 있을 수 있다고 연구진은 말합니다.

“지나치게 동시적인 신경 활동은 간질에 영향을 미치는 것으로 알려져 있으며, 이제 우리는 동시성의 다양한 병리가 지각, 주의력, 기억 및 운동 조절 장애를 포함한 많은 뇌 장애에 기여할 수 있다고 의심합니다. 오케스트라에서는 한 악기가 연주됩니다. 나머지 부분과 동기화되지 않으면 음악 전체의 일관성이 깨질 수 있습니다.”라고 MIT McGovern 뇌 연구소 소장이자 해당 연구의 수석 저자 중 한 명인 Robert Desimone은 말합니다.

Vanderbilt University의 심리학 조교수인 André Bastos는 오늘 발표된 공개 액세스 논문의 수석 저자이기도 합니다. 자연 신경과학. 이 논문의 주요 저자는 MIT 연구 과학자 Diego Mendoza-Halliday와 MIT 박사후 연구원 Alex Major입니다.

활동의 계층

인간의 뇌에는 수십억 개의 뉴런이 있으며, 각 뉴런에는 고유한 전기적 발사 패턴이 있습니다. 유사한 패턴을 가진 뉴런 그룹은 서로 다른 주파수를 가질 수 있는 전기 활동 또는 뇌파의 진동을 생성합니다. Miller의 연구실에서는 이전에 고주파 감마 리듬이 감각 정보 인코딩 및 검색과 연관되어 있는 반면, 저주파 베타 리듬은 작업 기억에서 어떤 정보를 읽어내는지 결정하는 제어 메커니즘 역할을 한다는 것을 보여주었습니다.

그의 연구실은 또한 전두엽 피질의 특정 부분에서 서로 다른 뇌 층이 독특한 진동 패턴을 보인다는 사실을 발견했습니다. 즉, 표면에서는 더 빠른 진동이, 깊은 층에서는 더 느린 진동이 나타납니다. Bastos가 밀러 연구실의 박사후 연구원이었을 때 주도한 한 연구에서는 동물이 작업 기억 작업을 수행할 때 더 깊은 층에서 생성된 저주파 리듬이 표층에서 생성된 고주파 감마 리듬을 조절한다는 것을 보여주었습니다.

작업 기억 외에도 뇌의 피질은 사고, 계획, 감정 및 감각 정보의 높은 수준 처리가 이루어지는 곳이기도 합니다. 이러한 기능과 관련된 영역 전체에서 뉴런은 6개 층으로 배열되어 있으며, 각 층은 고유한 세포 유형 조합과 다른 뇌 영역과의 연결을 가지고 있습니다.

Mendoza-Halliday는 “생쥐, 인간, 포유류 종을 보더라도 피질은 해부학적으로 6개 층으로 구성되어 있으며 이러한 패턴은 각 종의 모든 피질 영역에 존재합니다.”라고 말합니다. “안타깝게도 뇌 활동에 대한 많은 연구에서는 뉴런의 활동을 기록할 때 뉴런이 해당 층의 맥락에서 어디에 있는지 이해하기 어렵기 때문에 이러한 층을 무시해 왔습니다.”

새로운 논문에서 연구자들은 전두엽 피질에서 본 층진 진동 패턴이 더 광범위하게 퍼져 있는지, 즉 피질의 여러 부분과 종 전체에 걸쳐 발생하는지 조사하고 싶었습니다.

Miller의 연구실, Desimone의 연구실, Vanderbilt, 네덜란드 신경 과학 연구소 및 Western Ontario 대학의 공동 연구실에서 얻은 데이터 조합을 사용하여 연구자들은 4가지 포유류 종의 피질의 14가지 서로 다른 영역을 분석할 수 있었습니다. . 이 데이터에는 수술 과정의 일부로 뇌에 전극을 삽입한 세 명의 환자의 전기 활동 기록이 포함되어 있습니다.

과거에는 개별 피질 층에서 기록하는 것이 어려웠습니다. 각 층의 두께가 1mm 미만이어서 전극이 어느 층에서 기록하는지 알기가 어렵기 때문입니다. 이 연구에서는 모든 층을 동시에 기록하는 특수 전극을 사용하여 전기 활동을 기록한 다음 저자가 설계한 FLIP(주파수 기반 층 식별 절차)라는 새로운 계산 알고리즘에 데이터를 공급했습니다. 이 알고리즘은 각 신호가 어느 레이어에서 왔는지 확인할 수 있습니다.

“최신 기술을 사용하면 피질의 모든 층을 동시에 기록할 수 있습니다. 이를 통해 미세 회로에 대한 더 넓은 관점을 그릴 수 있으며 이러한 층별 패턴을 관찰할 수 있습니다.”라고 Major는 말합니다. “이 연구는 기본적인 미세 회로 패턴에 대한 정보를 제공하고 뇌를 연구하기 위한 강력하고 새로운 기술을 제공하기 때문에 흥미롭습니다. 뇌가 작업을 수행 중인지 휴식 중인지는 중요하지 않으며 단 5분만에 관찰할 수 있습니다. 10초로.”

모든 종에 걸쳐, 연구된 각 지역에서 연구자들은 동일한 계층적 활동 패턴을 발견했습니다.

“우리는 대뇌 피질의 모든 영역에서 동일한 패턴을 찾을 수 있는지 알아보기 위해 모든 데이터를 대량 분석했습니다. 짜잔, 그것은 모든 곳에서 나타났습니다. 이는 이전에 몇 가지 영역에서 보였던 것이 이는 대뇌 피질 전반에 걸친 근본적인 메커니즘을 나타내는 것입니다.”라고 Mendoza-Halliday는 말합니다.

균형 유지

이번 연구 결과는 뇌의 공간 조직이 고주파 진동에 의해 전달되는 새로운 정보를 저주파 진동에 의해 유지되는 기존 기억과 뇌 과정에 통합하는 데 도움이 된다는 밀러 연구실의 이전 모델을 뒷받침합니다. . 정보가 레이어에서 레이어로 전달됨에 따라 필요에 따라 입력이 통합되어 뇌가 새로운 쿠키 레시피를 굽거나 전화번호를 기억하는 등의 특정 작업을 수행하는 데 도움이 될 수 있습니다.

“우리가 관찰한 바와 같이 이러한 주파수의 층류 분리의 결과는 표면층이 더 빠른 주파수로 외부 감각 정보를 나타내고, 깊은 층이 더 느린 주파수로 내부 인지 상태를 나타낼 수 있게 하는 것일 수 있습니다.”라고 Bastos는 말합니다. “높은 수준의 의미는 피질이 ‘외부’ 정보와 ‘내부’ 정보를 분리하기 위해 해부학과 진동을 모두 포함하는 여러 메커니즘을 가지고 있다는 것입니다.”

이 이론에 따르면 고주파 진동과 저주파 진동 사이의 불균형은 고주파가 지배적이고 너무 많은 감각 정보가 유입되는 ADHD와 같은 주의력 결핍 또는 저주파 진동이 너무 많은 경우 정신분열증과 같은 망상 장애로 이어질 수 있습니다. 강하고 충분하지 않은 감각 정보가 들어옵니다.

Miller는 “하향식 제어 신호와 상향식 감각 신호 사이의 적절한 균형은 피질이 수행하는 모든 작업에 중요합니다”라고 말했습니다. “균형이 깨지면 다양한 신경 정신 질환이 발생합니다.”

연구자들은 현재 이러한 진동을 측정하는 것이 이러한 유형의 장애를 진단하는 데 도움이 될 수 있는지 조사하고 있습니다. 그들은 또한 진동의 재조정이 행동을 변화시킬 수 있는지 여부를 조사하고 있습니다. 이는 언젠가 주의력 결핍이나 기타 신경 장애를 치료하는 데 사용될 수 있는 접근 방식이라고 연구진은 말합니다.

연구원들은 또한 다른 연구실과 협력하여 다양한 뇌 영역에 걸쳐 계층화된 진동 패턴을 보다 자세히 특성화하기를 희망합니다.

“우리의 희망은 표준화된 보고를 충분히 통해 운동 출력, 시력, 기억 및 주의력에 사용할 수 있는 계산의 공통 메커니즘을 밝힐 수 있는 다양한 영역이나 기능 전반에 걸쳐 공통적인 활동 패턴을 보기 시작할 것이라는 것입니다. 등등”이라고 Mendoza-Halliday는 말합니다.

이 연구는 미국 해군 연구소, 미국 국립 보건원, 미국 국립 안구 연구소, 미국 국립 정신 건강 연구소, 피코워 연구소, 사회 뇌 박사후 연구원을 위한 시몬스 센터, 캐나다 보건 연구소 박사후 연구원.

출처: https://www.sciencedaily.com/releases/2024/01/240118122159.htm