Новое нейробиологическое исследование показывает, что мозг излучает свет через череп

Новое увлекательное нейробиологическое исследование показывает, что мозг излучает свет через череп

Новое исследование, опубликованное   в журнале iScience, доказывает, что человеческий мозг излучает чрезвычайно слабые световые сигналы, которые не только проходят через череп, но и, по-видимому, изменяются в ответ на психические состояния. Исследователи обнаружили, что эти сверхслабые световые излучения можно регистрировать в полной темноте, и они, по-видимому, изменяются в ответ на такие простые действия, как закрытие глаз или прослушивание звука. Полученные данные свидетельствуют о том, что этот слабый свет может нести информацию о мозговой активности, что, возможно, открывает путь к новому способу изучения мозга (фотоэнцефалографии).

Все живые ткани при нормальном обмене веществ выделяют небольшое количество света, известное как излучение ультраслабых фотонов. Это происходит, когда возбужденные молекулы возвращаются в состояние с более низкой энергией и при этом испускают фотон. Свет невероятно слабый — примерно в миллион раз слабее того, что мы можем видеть, — и находится в диапазоне от видимого до ближнего инфракрасного. В отличие от биолюминесценции, которая включает в себя специфические химические реакции, подобные тем, которые используются светлячками, излучение сверхслабых фотонов происходит постоянно во всех тканях без специальных ферментов или светящихся соединений.

Мозг излучает больше этого слабого света, чем большинство других органов, из-за высокого энергопотребления и высокой концентрации фотоактивных молекул. К ним относятся такие соединения, как флавины, серотонин и белки, которые могут поглощать и излучать свет. Интенсивность излучения фотонов также, по-видимому, повышается во время окислительного стресса и старения и может отражать изменения в состоянии здоровья клеток или коммуникации.
Исследовательская группа, возглавляемая Хейли Кейси, Нирошей Муруган и коллегами из университетов Алгома, Тафтса и Уилфрида Лорье, хотела выяснить, можно ли использовать эти слабые световые излучения для мониторинга мозговой активности. В отличие от других методов визуализации, требующих стимуляции, таких как сильные магнитные поля или инфракрасный свет, измерение UPEs полностью пассивно. Это означает, что оно не привносит ничего нового в работу мозга. Исследователи предположили, что UPEs может предложить новый способ безопасного и беспрепятственного мониторинга работы мозга, подобный тому, как ЭЭГ отслеживает электрические волны мозга без приложения энергии. Они также хотели проверить, отражают ли UPE такие психические состояния, как отдых с закрытыми глазами или реакция на звук, и соответствуют ли эти сигналы известным изменениям электрических ритмов мозга. Исследователи набрали 20 здоровых взрослых участников и измерили как УДЭ, так и электрическую активность мозга, пока участники сидели в темной комнате. Установка включала в себя фотоумножители, расположенные рядом с затылочной и височной областями головы, где мозг обрабатывает визуальную и слуховую информацию. Третий датчик регистрировал фоновое освещение. В то же время участники надевали шапочку с датчиками электроэнцефалографии, чтобы регистрировать электрические ритмы мозга.

Участники прошли десятиминутный сеанс записи, который включал в себя пять условий. Сначала они сидели с открытыми глазами, а затем с закрытыми. Затем они прослушали простой повторяющийся звуковой стимул, за которым последовал еще один период с закрытыми глазами и, наконец, еще один период с открытыми глазами. Цель состояла в том, чтобы выяснить, реагируют ли UPES головного мозга на известные манипуляции с мозговой активностью, в частности на сдвиг альфа-ритмов, который происходит, когда люди закрывают глаза.

Излучение фотонов регистрировалось через короткие промежутки времени и анализировалось на предмет изменчивости, частотности и стабильности с течением времени. Команда сравнила результаты с фоновыми сигналами и изучила корреляции с электрическими ритмами мозга, зарегистрированными в то же время.

Исследователи обнаружили, что свет, излучаемый мозгом, можно отличить от фонового освещения, основываясь на его изменчивости и сложности. Снимки головного мозга показали большую энтропию и более динамичный сигнал, чем фоновые записи. Эти излучения также имели характерный частотный профиль ниже 1 Гц, что означает, что свет колебался в медленных ритмичных ритмах примерно раз в одну-десять секунд. Этот признак отсутствовал в фоновом освещении и был особенно заметен в затылочной области.

Исследователи также заметили, что активность мозга, по-видимому, достигала устойчивого состояния во время выполнения каждого задания, особенно к концу двухминутных отрезков записи. Эти стабильные паттерны менялись, когда участники переходили от состояния с открытыми глазами к состоянию с закрытыми, что позволяет предположить, что выбросы отражают изменения во внутреннем состоянии мозга. Однако направление изменений не было одинаковым у всех участников, что, возможно, отражало индивидуальные различия или сложность лежащих в их основе метаболических процессов.

Когда исследователи сравнили UPE с электрическими ритмами мозга, они обнаружили незначительную корреляцию. Например, альфа—ритмы, которые часто ассоциируются с бодрствованием в расслабленном состоянии и усиливаются при закрытых глазах, коррелировали с излучением фотонов из затылочной области, но только тогда, когда глаза участников были закрыты. Они также обнаружили некоторые связи между вариабельностью сердечного ритма и ритмами височных долей во время слуховой стимуляции. Тем не менее, взаимосвязи были слабыми, и многие ожидаемые корреляции не выявились, что подчеркивает необходимость дальнейших исследований.

Несмотря на то, что результаты многообещающие, авторы предупреждают, что это было предварительное исследование с рядом ограничений. Размер выборки был небольшим, а записывающее оборудование охватывало только несколько областей головы. Датчики также регистрировали широкий диапазон длин волн, которые, возможно, скрывали более специфические световые паттерны. Более точные фильтры или детекторы могли бы помочь выявить характерные для длины волны признаки, связанные с различными функциями мозга.

Исследователи также предполагают, что расширение спектра датчиков может улучшить пространственное разрешение и помочь определить источник излучения в мозге. Поскольку эти излучения связаны с метаболической активностью, они могут исходить из различных типов клеток, включая нейроны и глиальные клетки, и из разных глубин мозга. Разработка методов локализации этих сигналов станет важным следующим шагом.

Исследование не включало в себя измерения других частей тела, которые могли бы помочь выяснить, происходит ли аналогичное излучение света в тканях, не связанных с мозгом, и чем они отличаются. Привлечение большего числа участников и изучение различий в зависимости от возраста, пола или состояния здоровья также может выявить значимые закономерности. В будущем машинное обучение и передовые методы визуализации могут позволить исследователям расшифровывать паттерны ВПЭ и использовать их для выявления мозговых расстройств или мониторинга состояния мозга.

“Мы рассматриваем текущие результаты как подтверждение концепции, демонстрирующей, что паттерны сигналов UPE, получаемых человеческим мозгом, можно отличить от фоновых световых сигналов в затемненных условиях, несмотря на очень низкую относительную интенсивность сигнала”, — пишут исследователи. “Фотоэнцефалография была бы максимально неинвазивной (т.е. пассивной записью) с высоким временным разрешением, как ЭЭГ или МЭГ; однако измерение UPEs было бы связано с окислительным метаболизмом и имело бы несколько клинических применений, описанных в других разделах. Будущие исследования могут увенчаться успехом при использовании специальных фильтров и усилителей для фильтрации и усиления сигналов UPE от здорового и больного мозга”.

Исследование, озаглавленное “Exploring ultraweak photon emissions as optical markers of brain activity” (Изучение излучения ультраслабых фотонов как оптических маркеров активности мозга), было проведено Хейли Кейси, Изабеллой Диберардино, Маттиа Бонзанни, Николасом Руло и Нирошей Дж. Муруган.