Введение

Гамма-волна или гамма-ритм — это паттерн нервных осцилляций у человека с частотой от 25 до 140 Гц, при этом частота 40 Гц представляет особый интерес. Гамма-ритмы коррелируют с широкомасштабной активностью мозговых сетей и когнитивными процессами, такими как рабочая память, внимание и перцептивная группировка, а их амплитуда может быть увеличена посредством медитации или нейростимуляции. Нарушения гамма-активности наблюдаются при многих расстройствах настроения и когнитивных нарушениях, таких как болезнь Альцгеймера и шизофрения.

Открытие

Гамма-волны могут быть обнаружены с помощью электроэнцефалографии или магнитоэнцефалографии. Один из первых отчетов об активности гамма-волн был зарегистрирован в зрительной коре бодрствующих обезьян. Впоследствии значительная исследовательская деятельность была сосредоточена на гамма-активности в зрительной коре. Гамма-активность также была обнаружена и изучена в премоторных, теменных, височных и лобных областях коры. Гамма-волны представляют собой общий класс осцилляторной активности в нейронах, принадлежащих к кортико-базаль-ганглионарно-таламо-кортикальной петле. Как правило, эта активность понимается как отражение прямых связей между различными областями мозга, в отличие от обратной связи альфа-волн в тех же областях. Гамма-колебания также показали корреляцию с возбуждением отдельных нейронов, преимущественно ингибирующих, во всех стадиях цикла бодрствования-сна. Активность гамма-волн наиболее выражена во время бодрствования и сосредоточенности. Исследования с использованием методов локального мышечного паралича подтвердили, что записи ЭЭГ действительно содержат сигналы ЭМГ, которые можно проследить до локальной моторной динамики, такой как частота саккад или другие моторные действия, связанные с головой. Для уменьшения влияния артефактов ЭМГ предлагается использовать современные методы обработки и разделения сигналов, такие как применение независимого компонентного анализа или других техник, основанных на пространственной фильтрации. Впервые было предположено, что 40 Гц гамма-волны участвуют в визуальном сознании в 1988 году, например, два нейрона колеблются синхронно (хотя они не связаны напрямую), когда один внешний объект стимулирует их соответствующие рецептивные поля. Последующие эксперименты, проведенные многими другими исследователями, продемонстрировали это явление в широком диапазоне областей зрительного познания. В частности, Фрэнсис Крик и Кристоф Кох в 1990 году утверждали, что существует значимая связь между проблемой связывания и проблемой визуального сознания и, как следствие, что синхронные колебания частоты 40 Гц могут быть причинно связаны с визуальным сознанием и визуальным связыванием. Позже те же авторы выразили скептицизм относительно идеи, что колебания частоты 40 Гц являются достаточным условием для визуального осознания. Ряд экспериментов, проведенных Родольфо Ллинасом, подтверждает гипотезу о том, что основой сознания в состояниях бодрствования и сновидения являются 40-герцевые колебания по всей коре в форме итеративной рекуррентной активности таламокортических цепей. В двух статьях под названием «Связные 40 Гц колебания характеризуют состояние сна у человека» (Rodolfo Llinás и Urs Ribary, Proc Natl Acad Sci USA 90:2078–2081, 1993) и «О сновидениях и бодрствовании» (Llinas & Pare, 1991), Ллинас предполагает, что объединение в единое когнитивное событие может происходить за счет одновременного суммирования специфической и неспецифической активности 40 Гц вдоль радиальной дендритной оси данных корковых элементов, а резонанс модулируется стволом мозга и приобретает содержание благодаря сенсорному вводу в состоянии бодрствования и внутренней активности во время сновидения. Согласно гипотезе Ллинаса, известной как гипотеза таламокортикального диалога о сознании, 40-герцевые колебания, наблюдаемые в бодрствовании и во сне, предполагаются коррелятом познания, возникающим в результате когерентного 40-герцевого резонанса между специфическими и неспецифическими таламокортикальными петлями. В Llinás & Ribary (1993) авторы предполагают, что специфические петли обеспечивают содержание познания, а неспецифическая петля обеспечивает временное связывание, необходимое для единства когнитивного опыта. Ведущая статья Андреаса К. Энгеля и др. в журнале Consciousness and Cognition (1999), утверждающая, что временная синхронность является основой сознания, определяет гипотезу гамма-волн следующим образом: Гипотеза заключается в том, что синхронизация нейронных разрядов может служить для интеграции распределенных нейронов в клеточные ансамбли и что этот процесс может лежать в основе отбора перцептивно и поведенчески релевантной информации.

Внимание

Предполагаемый механизм заключается в том, что гамма-волны соотносятся с нейронным сознанием посредством механизма сознательного внимания: блокquote|Предлагаемый ответ заключается в волне, которая, возникая в таламусе, охватывает мозг от передней части к задней, сорок раз в секунду, синхронизируя различные нейронные цепи с перцептом [sic], и тем самым выводя перцепт [sic] на передний план внимания. Если таламус поврежден даже незначительно, эта волна прекращается, сознательные переживания не формируются, и пациент впадает в глубокую кому. Это объединяет распределенную матрицу когнитивных процессов для генерации когерентного, согласованного когнитивного акта, такого как восприятие. Это привело к теориям о том, что гамма-волны связаны с решением проблемы связывания. Гамма-волны наблюдаются как нейронная синхронность в ответ на визуальные стимулы как в сознательном, так и в подсознательном восприятии. Данное исследование также проливает свет на то, как нейронная синхронность может объяснить стохастический резонанс в нервной системе.

Расстройства настроения

Измененная активность гамма-волн связана с расстройствами настроения, такими как большая депрессия или биполярное расстройство, и может служить потенциальным биомаркером для дифференциации между однополярными и биполярными расстройствами. Например, у людей с высокими показателями депрессии наблюдается дифференцированная гамма-сигнализация при выполнении эмоциональных, пространственных или арифметических заданий. Повышенная гамма-сигнализация также отмечается в областях мозга, участвующих в сети режима покоя, которая обычно подавляется при выполнении задач, требующих значительной концентрации внимания. Модели депрессии на грызунах, демонстрирующие депрессивоподобное поведение, также показывают дефицит гамма-ритмов.

Шизофрения

Уменьшение активности гамма-волн наблюдается при шизофрении. В частности, снижается амплитуда гамма-колебаний, а также синхронность различных областей мозга, вовлеченных в такие задачи, как обнаружение новизны в визуальном потоке и восприятие целостных образов. Люди с шизофренией демонстрируют худшие результаты в этих поведенческих задачах, связанных с восприятием и непрерывной памятью на узнавание. Считается, что нейробиологическая основа гамма-дисфункции при шизофрении лежит в ГАМК-ергических интернейронах, участвующих в известных сетях генерации мозговых волн. Антипсихотическая терапия, уменьшающая некоторые поведенческие симптомы шизофрении, не восстанавливает гамма-синхронность до нормального уровня. Во время очагового приступа эпилепсии максимальная синхронность гамма-ритмов интернейронов всегда наблюдается в зоне начала приступа, а синхронность распространяется из этой зоны на всю эпилептогенную зону.

Болезнь Альцгеймера

У пациентов с болезнью Альцгеймера наблюдается усиление мощности гамма-диапазона и запаздывание гамма-ответов. Примечательно, что мышиная модель tg APP PS1 болезни Альцгеймера демонстрирует снижение мощности гамма-осцилляций в латеральной энторинальной коре, которая передает различные сенсорные сигналы в гиппокамп и, таким образом, участвует в процессах памяти, аналогичных тем, которые нарушаются при болезни Альцгеймера у людей. Снижение мощности медленных гамма-осцилляций гиппокампа также наблюдалось в мышиной модели 3xTg болезни Альцгеймера. Вовлечение или синхронизация гамма-осцилляций и спайков гиппокампа с частотой 40 Гц посредством неинвазивной стимуляции в гамма-диапазоне, такой как мерцающий свет или звуковые импульсы, привело к тому, что последующие клинические испытания на людях с использованием стимуляции гамма-диапазона показали умеренное когнитивное улучшение у пациентов с болезнью Альцгеймера, подвергшихся воздействию света, звука или тактильных стимулов в диапазоне 40 Гц.

Медитация

Высокоамплитудная гамма-волновая синхронность может быть индуцирована самостоятельно посредством медитации. Длительные практики медитации, такие как тибетские буддийские монахи, демонстрируют как повышенную активность в гамма-диапазоне в состоянии покоя, так и значительное увеличение гамма-синхронизации во время медитации, что установлено с помощью ЭЭГ, снятой с кожи головы. Таким образом, нейробиологические механизмы индукции гамма-синхронизации обладают высокой пластичностью. Эти данные могут служить подтверждением гипотезы о том, что ощущение сознания, способность справляться со стрессом и концентрация внимания, которые часто улучшаются после медитации, обусловлены гамма-активностью. На ежегодном собрании Общества нейронаук в 2005 году нынешний Далай-лама отметил, что если бы нейронаука могла предложить способ вызвать психологические и биологические преимущества медитации без интенсивных занятий, он "с удовольствием стал бы добровольцем".

Смерть

Повышенная гамма-активность также наблюдается в моменты, непосредственно предшествующие смерти.