Każdej nocy, przez miliardy mózgów, wewnątrz czaszek ssaków i ptaków, powolne fale aktywności kaskadowo przechodzą przez neurony w rytmie, który powtarzał się przez tysiąclecia. Jest to wspólne bicie mózgów w ich najgłębszym śnie.
Wszechobecność i jednorodność tych „powolnych fal” przemawia do głębokiego znaczenia, mówi naukowiec HBP Maurizio Mattia z Istituto Superiore di Sanità (włoski NIH) w Rzymie.
Opisuje moment, w którym zdał sobie sprawę, że jest to wspólny rytm w biologii. „Jako fizyk, kiedy to zobaczyłem, pomyślałem, że to nie jest biologia, to jest fizyka. Pomyślałem, że to jest absolutnie interesujące. To jest ślad czegoś, co działa bardzo, bardzo dobrze. Coś, co jest potrzebne przez gatunki i przez ewolucję.”
Slow waves pojawiają się, gdy mózgi są w głębokim śnie i zostały zaobserwowane u ssaków i ptaków, a być może w gadów. Mattia opisuje te fale jako kaskady aktywności, które przemieszczają się po mózgu ze stałym rytmem (około 1 Hz, u różnych gatunków).
Te rytmiczne oscylacje występują na poziomie pojedynczego neuronu, ale kiedy oglądane są w całym mózgu przez iEEG (wewnątrzczaszkowe EEG), pojawiają się jak fala przemieszczająca się przez mózg z prędkością około 30 mm na sekundę.
„Nie są jak fale, które widzisz w wodzie. Masz ekscytujące medium, więc to jest jak ogień w lesie. Kiedy po raz pierwszy rozpocząć ogień będzie propagować się jak fala, aż masz spalił całe drewno, a następnie zatrzyma się. To jest jak okres bezczynności w mózgu, ale las znowu rośnie i wtedy mamy nową falę. To jest to, co dzieje się w mózgu. Wykorzystuje on wszystkie dostępne zasoby, aby uruchomić potencjały czynnościowe neuronów, a potem potrzebny jest czas na regenerację. Ogień i cisza, ogień i cisza.”
Całkowita funkcja i cel tych powolnych fal nie jest w pełni zrozumiały, ale wyraźnie mają one ważną rolę. Istnieje coraz więcej dowodów na to, że rytm ten jest potrzebny do odtworzenia równowagi w mózgu. Podczas czuwania mózg produkuje odpady, a te fale wydają się oczyszczać mózg, mówi Mattia.
„Możesz przetrwać nie będąc obudzonym, ale na pewno umrzesz, jeśli nie będziesz spać. Musisz mieć te powolne fale, aby utrzymać mózg w zdrowym stanie.”
Powolne fale są również związane z pamięcią i konsolidacją uczenia się.
„Front falowy nie jest przypadkowym frontem falowym. To jest zdefiniowane przez strukturę , którą to znajduje w mózgu. Wyobraź sobie wielu ludzi idących obok siebie wzdłuż plaży. Kiedy niektórzy znajdą miękki piasek będą chodzić wolniej, inni będą chodzić szybciej na twardszym piasku. Ta różnica w terenie będzie reprezentowana w kształcie linii idących ludzi.
„Więc wracając do pamięci, te powolne fale podążają ścieżkami sieci i wzmacniają te ścieżki. Mniej więcej.”
W tym sensie jest to prawie rodzaj powtarzania, podobny do uczenia się, które wydaje się wzmacniać ścieżki używane w ciągu dnia poprzez wielokrotne ich powtarzanie.
Mattia opisuje powolne fale jako rodzaj kamienia z Rosetty neurobiologii, gdzie różne języki to różne zwierzęta, a treść to powolne fale. Dlatego są one przydatne, nie tylko do zrozumienia mózgu, ale także, być może, do tworzenia symulacji mózgu. Czy możemy odtworzyć tę wspólną cechę wszystkich mózgów w symulacji?
„Próbujemy zrozumieć, w jaki sposób dana sieć neuronów, in-silico lub in-vivo są w stanie stworzyć te same rytmy i biorąc to w różnych kontekstach pozwala nam zbudować maszynę, która może zachowywać się jak prawdziwy mózg,” Mattia mówi.
„Po stworzeniu mózgu in-silico, który ma te rytmy, jest to dobry punkt wyjścia do sprawdzenia, jak zachowuje się on po przebudzeniu.”
Maurizio Mattia pracuje w Systems and Cognitive Neuroscience (Subproject 3) komponencie Human Brain Project.