Хирургия эпилепсии

Редкий эксперимент во время операции на головном мозге помогает исследователям лучше понять нейронные сети.

А Университета Айовыкоманда международных нейробиологов получила первые прямые записи человеческого мозга за несколько минут до и после Центр мозга, имеющий решающее значение для значения языка, был хирургически отключен. Результаты показывают важность мозговых концентраторов в нейронных сетях и удивительный способ, которым человеческий мозг пытается компенсировать потерю концентратора с невиданной ранее оперативностью.

Что происходит, когда мозг теряет важный центр?

Каково непосредственное воздействие на нейронную сеть и как оно компенсируется?

Хабы есть везде. Ступица велосипедного колеса со спицами, выступающими из центра, предохраняет колесо от разрушения во время езды на велосипеде. Узлы аэропортов соединяют города по всему миру. А социальные центры, такие как кафе или социальные сети, — это места, где люди собираются для общения.

В человеческом мозге тоже есть центры — пересечение множества нейронных путей, которые помогают координировать активность мозга, необходимую для таких сложных функций, как понимание речи и реагирование на нее. Однако вопрос о том, незаменимы ли сильно взаимосвязанные центры мозга для определенных функций мозга, остается спорным. По некоторым данным, мозг, как и без того сильно взаимосвязанная нейронная сеть, в принципе может немедленно компенсировать потерю хаба, точно так же, как трафик можно перенаправить вокруг заблокированного центра города.

Прорыв в исследованиях Brain Hub

Имея редкую экспериментальную возможность, нейрохирургические и исследовательские группы UI под руководством Мэтью Ховарда III, доктора медицинских наук, профессора и руководителя нейрохирургии, и Кристофера Петкова, доктора философии, профессора и заместителя председателя по исследованиям в области нейрохирургии, достигли прорыва в понимании необходимости один концентратор.

Получив доказательства того, что происходит, когда центр, необходимый для языкового значения, потерян, исследователи показали как внутреннюю важность концентратора, так и замечательную и быструю способность мозга адаптироваться и, по крайней мере, частично пытаться немедленно компенсировать его утрату. Результаты были недавно опубликованы в журнале Nature Communications.

Инновационное нейрохирургическое исследование

• Исследование проведено во время хирургического лечения двух больных эпилепсией. Оба пациента проходили процедуры, которые требовали хирургического удаления передней височной доли — центра мозга, отвечающего за значение языка, — чтобы дать нейрохирургам доступ к более глубоким участкам мозга, вызывающим изнурительные эпилептические припадки пациентов.
• Перед этим типом операции бригады нейрохирургов часто просят пациентов выполнить речевые и языковые задания в операционной, поскольку команда использует имплантированные электроды для регистрации активности частей мозга, близких к зоне запланированной операции и удаленных от нее.
• Эти записи помогают клинической команде эффективно лечить судороги, ограничивая при этом влияние операции на речь и языковые способности пациента.

Обычно записывающие электроды не нужны после хирургической резекции и удаляются. Новшеством в этом исследовании было то, что команда нейрохирургов смогла безопасно завершить процедуру, оставив записывающие электроды на месте или заменив их на то же место после процедуры. Это позволило получить редкие до- и послеоперационные записи, позволяющие исследователям оценивать сигналы из областей мозга, удаленных от центра, включая речевые и языковые области, удаленные от места операции. Анализ изменения ответов на звуки речи до и после потери хаба выявил быстрое нарушение передачи сигналов и последующую частичную компенсацию более широкой сети мозга.

Неожиданные открытия и теоретические выводы

• «Быстрое воздействие на области обработки речи и языка, удаленные от места хирургического лечения, было удивительным, но еще более удивительным было то, как мозг работал, чтобы компенсировать, хотя и не полностью, в течение этого короткого периода времени», — говорит Петков, который также проходит прием в Медицинской школе Университета Ньюкасла в Великобритании.

Полученные данные опровергают теории, оспаривающие необходимость наличия определенных мозговых центров, показывая, что эти центры важны для поддержания нормальной обработки мозгом речи.

• «Нейрохирургическое лечение и новые технологии продолжают улучшать возможности лечения, предоставляемые пациентам», — говорит Ховард, который также является членом Института нейробиологии Айовы. «Подобные исследования подчеркивают важность безопасного получения и сравнения электрических записей до и после операции, особенно когда может быть затронут центр мозга».

Поддержка нейробиологических теорий

По мнению исследователей, наблюдение за природой немедленного воздействия на нейронную сеть и ее быструю попытку компенсации является свидетельством в поддержку теории мозга, предложенной профессором Карлом Фристоном из Университетского колледжа Лондона, которая утверждает, что любая самоорганизующаяся система в состоянии равновесия стремится к упорядоченности, минимизируя свою свободную энергию, что является сопротивлением универсальной тенденции к беспорядку. Эти нейробиологические результаты после отключения узла головного мозга человека согласуются с несколькими предсказаниями этой и связанных с ней нейробиологических теорий, показывая, как мозг работает, пытаясь восстановить порядок после потери одного из своих узлов.

Помимо Петкова и Ховарда, в исследовательскую группу вошли исследователи из кафедр нейрохирургии, радиологии, психологии и наук о мозге UI, а также коллеги из Университета Ньюкасла, UCL и Кембриджского университета в Великобритании, а также из Университета Карнеги-Меллон. , Университет Висконсина-Мэдисона и Университет Гонзаги в США.