Що відбувається з мозком у 30, 40 та 70 років
Наша робота стосується типів активності мозку, але фокусом моїх
Фокусом наших досліджень стали віковівідмінності - активність при функціонуванні мозку у молодих та літніх піддослідних. Ця тема важлива через нейродегенеративні захворювання, пов'язані зі старінням (хвороба Альцгеймера і хвороба Паркінсона, деменція). Лікування як такого немає, але дуже важливо рано визначити хворобу та розпочати реабілітацію.
Мозок із віком зазнає дуже багатозмін, як і весь організм. Вони можуть бути як структурними, і функціональними. Структурні – це зміни у функціонуванні органу. Ще змінюється пластичність мозку - саме через це ми навчаємося, не тільки отримуємо знання, а й моторні навички. Ця властивість теж страждає з часом і впливає як на моторні, так і когнітивні функції.
Як мозок у літніх людей компенсує старіння органу
Мозок - це орган, який складається з кількохчасткою. У моторній корі зосереджено найбільш цінну інформацію про те, як саме він обробляє рухи. Тому за сигналами електричної активності головного мозку, знятих саме з моторної кори, можна отримати дуже багато результатів, виділити патерни, пов'язані з рухом. Кожна з цих зон є відповідальною за щось своє, і рухи обробляються не тільки в моторній корі, вони залучають інші зони залежно від віку.
"Мозок - це орган, який складається з декількох часток"
Електрика береться з нейронів - так вони другз другом спілкуються. Воно зв'язків передається іншим нейронам і формує патерн. Також є дослідження хімічних сполук, що виникають між нейронами, їх також можна вивчати.
Структурні зміни у мозку стосуються обсягубілої та сірої речовини. Сіре - це речовина мозку, що складається з тіла нейронів. Це зовнішня оболонка мозку, біла речовина здебільшого знаходиться всередині та покрита сірою речовиною. У білій речовині немає нейронів, але є зв'язки між нейронами – синапси.
На функціональній магнітно-резонансній томографіїголовного мозку здорового літнього пацієнта та пацієнта із хворобою Альцгеймера можна побачити ступінь втрати сірої речовини з віком – це нормально. Але за хвороби Альцгеймера є багато червоних областей. Так позначають втрату сірої речовини більше ніж на 4%, це набагато більше, ніж за нормального старіння. У сірій речовині містяться нейрони, тому мозок не може функціонувати як раніше. А у пацієнтів похилого віку втрати не перевищують 2% — це в рамках норми.
Біла речовина містить у собі синапси, зв'язкинейронів у ньому немає, але воно також зменшується в обсязі з віком. На сканах 25-річну людину та 75-річну людину білі області означають втрату в білій речовині — частіше вони губляться через старіння. Це нормальний процес, у якому мозок перебудовується.
Скани людини 25 та 75 років
Коли говорять про функціональні зміни, маютьчерез зміни мережевих структур, які утворюються в головному мозку. Мережева структура може бути побудована та виявлена за допомогою аналізу електричної активності головного мозку, чим ми займаємося. Головним маркером старіння є розпад чи зменшення кількості зв'язків, але водночас відбувається посилення зв'язків між різними мережами. Так мозок хоче компенсувати втрату зв'язку, щоб зберегти свою функціональність. Це називають компенсаторною функцією.
На мережі функціональних зв'язків молодого та літньоголюдини без виражених неврологічних захворювань різниця видно відразу. У молодих людей мережа функціональних зв'язків складається із чотирьох великих кластерів. При цьому з віком мережі розпадаються, зв'язки всередині кожної мережі стають слабшими, це призводить до розпаду мережі на кілька підмереж. Проте зв'язки між мережами набагато потужніші, ніж у молодих людей. Саме це є ілюстрацією компенсаторного механізму.
Функціональні зміни у мозку двох пацієнтів
Як досліджують мозок
У нас є експериментальна лабораторія на базіякої ми проводимо експерименти із запису електроенцефалографічних сигналів у різних групах випробуваних. Їх можна записувати для різних цілей, але я розповім про моторні функції.
Шапка полегшує встановлення електродів, якізчитують сигнал із різних областей мозку. Червоними квадратиком і кружальцями виділені канали, які входять у сенсомоторну область. Вони несуть найбільш значну інформацію у тому, як мозок активується на момент здійснення рухів. При цьому рухова активність - це дуже розтяжне поняття, це не тільки здійснення рухів, а й їхнє планування.
Як зчитують електричну активність мозку
Паттерни цих видів активності досить схожі, та їх треба вміти розрізняти. Тому ми займаємося створенням хорошого класифікатора та інтерфейсу мозок-комп'ютера.
В експериментах ми пишемо фоновий запис, це такзвані записи resting state, під час якого людина сидить, склавши руки спокійно. У нього розплющені очі, він слухає якусь музику, і ми просимо не думати ні про що конкретно, щоб на записах електроенцефалограми не було шумів.
Запис resting state
На записі електроенцефалограми числа означають,якої частини мозку вони знаходяться. С3 - це ліва півкуля, С4 - права півкуля. Є відомий ефект про контрлатеральність рухової активності - якщо рухати лівою рукою, активується права півкуля, і навпаки. Тому важливо писати повне розміщення.
Запис електроенцефалограми
У таймлані від 0 до 40 секунд три сигнали виділенофрагментами, там людина робила рухи — стискала і розтискала руку. За сирими сигналами нічого не видно. Тому потрібно застосовувати методи аналізу сигналу і один із найкласичніших методів — це частотно-часовий аналіз.
Частотно-часовий аналіз
Яскрава картинка - це поверхня, вона містить всобі інформацію про енергії кожного частотного діапазону. Зверху представлений фрагмент сигналу EEG, червона вертикальна лінія відзначає момент, коли пройшов звуковий сигнал – після неї людина здійснила рух. Зелена смужка лежить на поверхні відповідає альфа-ритму. Ми вимірювали поверхню і вважали, що зелена смужка знаходиться приблизно в інтервалі від 8 до 14 герц, яка відповідає альфа-ритмам.
Альфа-ритм - це базовий ритм головного мозку,який відповідальний за велику кількість завдань. У контексті моторної активності він теж несе в собі дуже багато інформації про те, як мозок справляється з нашими рухами. Наприклад, відомо, що коли людина здійснює рух, альфа-ритм втрачає енергію, і це називається десинхронізацією альфа-ритму.
Вікові відмінності
Картинка, де представлені дві криві, — усереднені енергії альфа-ритму. Зелена лінія - це молоді випробувані від 18 до 35 років, червона смужка - літні випробувані 55-70 років приблизно.
На лівій руці різниця не дуже очевидна, алеякщо подивитися на праву руку, то видно, що альфа-ритм після сигналу, що в нулі, падає в обидві групи, енергія знижується, відбувається десинхронізація.
Частотно-часовий аналіз
Але у молодих випробуваних ця десинхронізаціятримається до кінця руху та альфа-ритм відновлюється після того, як людина розтискає руку. У літніх випробуваних альфа-ритм починає відновлюватися до нульового рівня, незабаром після того, як він стиснув руку.
Можна виміряти, оцінити вікові відмінності таіншим способом. Наприклад, швидкість моторної реакції. Часто кажуть, що у людей похилого віку знижена швидкість реакції, рухів, реакція, координація. Але як це відбувається?
Час реакції - це як швидко нейрони в головіпочинають активуватися після того, як людина здійснила рух. Ми виміряли це для молодих людей та для літніх випробуваних. Квадратики червоного кольору позначають рух, час реакції для піддослідних. Синій колір – для молодих піддослідних. Виявилося, що в людей похилого віку час реакції завжди більше, ніж у молодих і для лівої і для правої руки. А у молодих випробуваних час реакції на правій руці набагато нижчий, ніж час реакції на лівій руці. І це логічно, бо в нашій вибірці лише правші.
Також ми спостерігаємо пластичність навички:чим більше моторна навичка натренована, тим швидше вона деградує з віком. Навичка лівої руки у правші не особливо натренована, тому деградація повільна, і навик правої руки його наздоганяє. Це призводить до вікової амбідекстрії, рівного розвитку функцій обох рук. Щоправда, у випадку з людьми похилого віку, на жаль, це означає, що вони однаково погано роблять рухи і правою, і лівою.
На фото нижче синя картинка - це зв'язки міжрізними каналами, у молодих людей вони сильніші, ніж у людей похилого віку. На червоній картинці зв'язку, які у людей похилого віку сильніші, ніж у молодих, — і видно, що вони різні. У молодих людей зв'язки сильніші в потилично-тім'яній, лобовій частці та середній лінії.
Мережа функціональних зв'язків двох органів
У літніх людей основна активність переходить вперед,у передню тім'яну зону, двосторонню скроневу частку. Цей висновок можна зробити на аналізі електроенцефалограми, записаної в момент початку руху після сигналу, в проміжок, коли сигналу прозвучав, а людина ще не почав рухати рукою. Цей відрізок містить багато важливої інформації про планування руху та реакцію на сигнал.
Перемогти Альцгеймер
Ми можемо зробити висновок, що з віком знижуєтьсяефективність цих нейронних механізмів, що обробляють рухову активність. Також у контрольній групі, виходячи з того, які зони активуються у літніх та молодих, у останніх активно працює рухова пам'ять.
Двигуна пам'ять - це те, як мозок пам'ятаєрізні рухи. І замість того, щоб виконувати рух щоразу заново, він черпає ресурс із рухової пам'яті, і це дозволяє реагувати швидше. У спортсменів дуже розвинена рухова пам'ять, тому що вони тренують швидкість реакції та моторні навички.
У людей похилого віку такого немає, рухова пам'ятьпрацює гірше, тому кожен рух потрібно здійснювати наново. За рахунок цього знижується швидкість моторної реакції, вираженість десинхронізації, який виступає маркером рухової активності.
Два типи старіння
Є думка, що для людей похилого віку хворобиАльцгеймера та деменція – це нормально. Чомусь вважається, що з віком вони розвиваються, і в цьому немає нічого патологічного. Але це не так – не дарма їх називають нейродегенеративними.
При нормальному старінні знижується обсяг білого тасірої речовини. Але він знижується керованою і не так драматично, як при хворобі Альцгеймера. Ця хвороба має руйнівні наслідки для головного мозку: практично відсутня сіра речовина, знижується обсяг білої речовини. На жаль, зараз немає жодних стратегій лікування нейродегенеративних захворювань. Наразі актуальне завдання — розробка методів раннього детектування ознак цих хвороб.
Читати далі:
Сигнал Starlink зламали, щоб використовувати його як альтернативу GPS
НАСА розкрило походження Хаумеї — найзагадковішої планети Сонячної системи
Фізики подолали стандартну квантову межу за допомогою «квантового остраху»