Крупномасштабные нейронные сети

Долгое время в научном сообществе бытовало предположение, что когнитивные процессы являются следствием работы изолированных зон коры больших полушарий, однако более новые исследования заставили ученых взглянуть на происхождение познания иначе: как на результат динамического взаимодействия различных зон мозга, распределенных по всей коре. Создающиеся при этом паттерны и получили название крупномасштабных нейронных сетей (large-scale brain networks, КНС).

Большая часть представлений о познавательной работе мозга, предшествующих выявлению КНС, была построена исходя из парадигмы модульного строения коры, в соответствии с которой зоны коры большого мозга — независимые процессоры для сложных когнитивных процессов. По мере получения новых данных, стало понятно, что данная парадигма имеет серьезные ограничения и может вообще оказаться в корне ложной. Даже функции первичной соматосенсорной коры, ранее считавшиеся эталоном модульности строения мозга, оказались пересмотрены вследствие появления свидетельств о взаимодействии модулей между собой.

Царящая на данный момент в когнитивной нейробиологии модель идет дальше простой привязки определенных познавательных процессов к конкретным областям мозга и акцентирует внимание на совместном функционировании зон коры больших полушарий в виде крупномасштабных сетей.

Предпосылки к возникновению этой модели можно проследить еще в работах К. Вернике, И. П. Павлова и А. Р. Лурии. Более недавний вклад принадлежит большому количеству исследователей: У. Дж. Фриману, Дж. М. Эдельману, В. Б. Маунткаслу.

Какова же цель изучения КНС? Знание их строения должно привести к более глубокому пониманию физиологической базы психических процессов. С этой целью необходимо рассматривать крупномасштабные сети с точки зрения существования двух видов созависимости узлов сети: структурной и функциональной.

Структурная основывается на на анатомической связи нейронов между собой при помощи синапсов, как химических, так и электрических (нексусов). Узлы структурных сетей определяются тремя параметрами: цитоархитектоникой коры, местными нейронными контурами, проекцией входных и выходных сигналов. Область коры большого мозга может быть описана как субъединица более крупной сети; она должна включать в себя популяции возбуждающих нейронов, популяции тормозных нейронов и соединяющие их волокна. Несмотря на сложность строения структур коры больших полушарий, их удобнее рассматривать как единичные массы нейронов, служащие как узлы относительно более крупных сетей.

Функциональной созависимостью узлов нейронных сетей называют совместно возникающую активность в различных структурах мозга под воздействием определенных параметров.

Источник: журнал Cell

Тут стоит сделать маленькое отступление: мозг у приматов филогенетически развился так, чтобы обеспечивать индивидам выживание в самых разных условиях окружающей среды путем выбора поведения, соответствующего ситуации. Для этого требуется ежемоментный анализ ситуации, результат которого в сочетании с уже выученными концепциями поведения и создаст решение, наиболее подходящее в данном месте и в данное время. Логично предположить, что группа взаимосвязанных областей мозга должна работать в унисон для выработки этих решений (и следующего поведения) и что связь этих областей должна быть динамической для оптимальной работы. Таким образом, функциональные сети коры больших полушарий могут быть описаны как группа сообщающихся между собой зон головного мозга, взаимодействующих между собой ради выполнения ограниченного ряда функций.

Так, структурная архитектура сетей головного мозга является основой для возникновения динамической связи между узлами, которые и составляют в совокупности функциональные КНС. Паттерны связи структурных сетей (различающиеся от одного биологического вида к другому) определяют функциональные сети. Некоторые из них, например, ответственные за понимание языка, являются видоспецифичными, в то время как другие повторяются от вида к виду. Топология КНС (то есть, какие узлы соединяются между собой) также в течение жизни не остается неизменной и формируется уникальным образом под воздействием многих внешних факторов.

А теперь, наконец, непосредственно к самим нейронным сетям. По данным за 1990 год, было выявлено 5 крупных КНС:

1. Сеть, ответственная за пространственно-ориентированное внимание. Располагается в задней париетальной коре и поле Бродманна 8.
2. Кора, отвечающая за восприятие языка (на основе областей Вернике и Брока).
3. Ответственная за точную память сеть, расположенная в гиппокампе, энторинальной и нижней теменной коре.
4. Сеть, отвечающая за распознавание лиц и объектов, располагается в теменной доле больших полушарий.
5. Префронтальная и нижняя теменная зоны коры содержат сеть исполнительных функций.

Модель КНС нашла применение в клинической практике, например, было установлено при помощи методик нейровизуализации, что для пациентов с шизофренией характерны определенные структурные изменения сетей головного мозга (N = 203). Шизофрения не единственное заболевание, для которого можно выявить конкретные изменения в КНС, к таковым относится и болезнь Альцгеймера.

Источники

1. Bressler S. L., Menon V. Large-scale brain networks in cognition: emerging methods and principles //Trends in cognitive sciences. – 2010. – Т. 14. – №. 6. – С. 277-290.

2. Danielle S. Bassett. Clinical applications of complex network analysis. Society for Neuroscience Short Course, SFN, 2011.