Technologia, opisana w czasopiśmie „Cell”, wykorzystuje dwa ultraczułe instrumenty optyczne, które mogą wykrywać sygnały genetycznie modyfikowanych białek, znane jako wskaźniki napięcia, ujawniając aktywność neuronalnych fal mózgowych u myszy. Choć ogranicza się do zwierząt doświadczalnych, postęp ten już pokazał swój potencjał. Za pomocą tych instrumentów naukowcy odkryli trzy nowe rodzaje fal mózgowych poruszające się w sposób nigdy wcześniej nieobserwowany. – Uzyskujemy bardzo szeroki obraz fal rozchodzących się w mózgu. Możemy patrzeć na wiele obszarów mózgu jednocześnie i obserwować fale mózgowe przemieszczające się przez korę mózgową – najbardziej zewnętrzną warstwę tkanki nerwowej mózgu – ze specyficznością co do typu komórek – mówi Mark J. Schnitzer, starszy autor i profesor biologii oraz fizyki stosowanej w Szkole Nauk Humanistycznych i Nauk Ścisłych Uniwersytetu Stanforda. W przeciwieństwie do elektrod, które wykorzystują energię elektryczną do wykrywania pojedynczych punktów aktywności mózgu, instrumenty opracowane przez zespół Schnitzera wykorzystują optykę – technologię opartą na świetle – do obrazowania fal mózgowych w czasie rzeczywistym. Mogą one również koncentrować się na falach powiązanych z jednym lub dwoma określonymi typami neuronów.

Naukowcy próbują zrozumieć fale mózgowe od czasu ich pierwszego zidentyfikowania u ludzi ponad sto lat temu przez niemieckiego lekarza Hansa Bergera, który wykorzystał elektrody we wczesnej wersji EEG (elektroencefalografii). Badacze wiedzą obecnie, że nieprawidłowości w tych falach są związane z różnymi rodzajami chorób, w tym: chorobą Parkinsona, chorobą Alzheimera, padaczką i schizofrenią. Rozróżnienie, które typy neuronów napędzają poszczególne rodzaje fal, pozostaje wyzwaniem. Najnowsze odkrycie może pomóc rozwiązać ten problem. Wywodzi się ono z ponad dekady prac nad technikami optycznymi o nazwie TEMPO – po raz pierwszy opisanymi w artykule z 2016 r. autorstwa zespołu, w którego skład wchodzili Mark Schnitzer oraz Michael Z. Lin, profesor neurobiologii i bioinżynierii w Szkole Medycznej Uniwersytetu Stanforda. Lin jest również współautorem obecnego badania. W tym badaniu naukowcy zademonstrowali zastosowanie dwóch nowych, uzupełniających się instrumentów TEMPO – czujnika światłowodowego, który jest dziesięciokrotnie bardziej czuły niż poprzednie wersje i może śledzić aktywność elektryczną w mózgach myszy podczas ich normalnych czynności, oraz mezoskopu optycznego, który może zapewnić obraz mózgu o szerokości 8 mm i pokazać aktywność neuronalną w większości mysiej kory nowej – warstwy mózgu odpowiedzialnej za funkcje wysokiego poziomu, takie jak percepcja i poznanie.

Dzięki tej technologii naukowcy byli w stanie zaobserwować kilka fal, których nigdy wcześniej nie zarejestrowano, w tym dwa rodzaje fal beta – fal o wyższej częstotliwości związanych z aktywnością umysłową, które biegną pod kątem prostym względem siebie. Odkryli również falę theta – falę o niższej częstotliwości związaną z przetwarzaniem pamięci, która biegła nie tylko w jednym kierunku, jak wcześniej sądzono, ale także wstecz. Chociaż nie wiadomo jeszcze, co może oznaczać ta nowa fala kierunkowa, jedna z teorii głosi, że fala theta może podlegać propagacji wstecznej, podobnej do mechanizmu uczenia się wykorzystywanego przez modele sztucznej inteligencji. – Wydaje się, że mózg posiada wewnętrzny zegar, który synchronizuje aktywność neuronalną, ale te fale wędrujące mogą również aktywnie reorganizować obwody neuronalne na duże odległości, wykraczające poza połączenia lokalne. Może to odegrać ważną rolę w dalszych modelach sztucznej inteligencji inspirowanych biologią – opisuje współautor badania Radosław Chrapkiewicz, dyrektor ds. inżynierii w laboratorium Schnitzera. Potrzebne są dalsze badania, aby zrozumieć implikacje tych odkryć, ale nowa technologia prawdopodobnie otworzy liczne możliwości dla neuronauki, a także rozwoju sztucznej inteligencji. – Istnieje wiele bardzo ważnych zastosowań w dziedzinie neuronauki pozwalających zrozumieć patologię i zróżnicowaną dynamikę mózgu. My dopiero zarysowaliśmy ten temat – podsumowuje Simon Haziza, główny autor badania.

Materiały prasowe EurekAlert! tłumaczone na język polski