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.
A gamma wave or gamma rhythm is a pattern of neural oscillation in humans with a frequency between 25 and 140 Hz, the 40 Hz point being of particular interest. Gamma rhythms are correlated with large scale brain network activity and cognitive phenomena such as working memory, attention, and perceptual grouping, and can be increased in amplitude via meditation or neurostimulation. Altered gamma activity has been observed in many mood and cognitive disorders such as Alzheimer's disease, and schizophrenia.
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.
The hypothesis is that synchronization of neuronal discharges can serve for the integration of distributed neurons into cell assemblies and that this process may underlie the selection of perceptually and behaviorally relevant information.
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.