Новое исследование предоставляет доказательства того, что человеческий мозг испускает крайне слабые световые сигналы, которые не только проходят через череп, но и, по-видимому, меняются в зависимости от психического состояния. Ученые обнаружили, что эти сверхслабые световые излучения можно зафиксировать в полной темноте.
Исследование, опубликованное в журнале iScience, подтверждает, что человеческий мозг испускает крайне слабые световые сигналы, которые не только проходят через череп, но и, по-видимому, меняются в зависимости от психического состояния. Исследователи обнаружили, что эти сверхслабые световые излучения можно зарегистрировать в полной темноте, и они изменяются в ответ на простые действия, такие как закрытие глаз или прослушивание звуков. Результаты позволяют предположить, что этот слабый свет мозга может нести информацию о мозговой активности — возможно, открывая новый способ изучения мозга (фотоэнцефалография).
Все живые ткани выделяют крошечное количество света в процессе нормального метаболизма — это явление известно как сверхслабые фотонные излучения. Это происходит, когда возбужденные молекулы возвращаются в состояние с более низкой энергией и испускают фотон. Свет чрезвычайно слаб — примерно в миллион раз слабее, чем то, что мы можем видеть, — и находится в видимом и ближнем инфракрасном диапазоне. В отличие от биолюминесценции, которая включает специфические химические реакции (как у светлячков), сверхслабые фотонные излучения происходят постоянно во всех тканях без участия специальных ферментов или светящихся соединений.
Мозг испускает больше этого слабого света, чем большинство других органов, из-за высокого энергопотребления и плотной концентрации фотоактивных молекул. К ним относятся такие соединения, как флавины, серотонин и белки, способные поглощать и излучать свет. Интенсивность фотонных излучений также, по-видимому, возрастает при окислительном стрессе и старении и может отражать изменения в состоянии клеток или их коммуникации.
Исследовательская группа под руководством Хейли Кейси, Нироши Муруган и их коллег из Университета Алгомы, Университета Тафтса и Университета Уилфрида Лорье хотела выяснить, можно ли использовать эти слабые световые излучения для мониторинга мозговой активности. В отличие от других методов визуализации, требующих стимуляции (например, сильных магнитных полей или инфракрасного света), измерение сверхслабых фотонных излучений (UPE) является полностью пассивным. Это означает, что оно не вносит ничего нового в мозг.
Исследователи предположили, что UPE могут предложить новый способ безопасного и ненавязчивого мониторинга функций мозга, подобно тому, как ЭЭГ отслеживает электрические мозговые волны без подачи энергии. Они также хотели проверить, отражают ли UPE психические состояния, такие как отдых с закрытыми глазами или реакция на звук, и соответствуют ли эти сигналы известным изменениям в электрических ритмах мозга.
Методы исследования
Ученые привлекли 20 здоровых взрослых участников и измеряли как UPE, так и электрическую активность мозга, пока участники сидели в темной комнате. Экспериментальная установка включала фотоумножители, размещенные рядом с затылочной и височной областями головы, где мозг обрабатывает зрительную и слуховую информацию. Третий датчик фиксировал фоновый свет. Одновременно участники носили шапочку с датчиками электроэнцефалографии (ЭЭГ) для записи электрических ритмов мозга.
Участники прошли десятиминутный сеанс записи, включавший пять условий:
-
Сидение с открытыми глазами.
-
Сидение с закрытыми глазами.
-
Прослушивание простого повторяющегося звукового стимула.
-
Еще один период с закрытыми глазами.
-
Финальный период с открытыми глазами.
Цель состояла в том, чтобы проверить, реагируют ли UPE мозга на известные изменения мозговой активности, особенно на сдвиг альфа-ритмов, который происходит, когда люди закрывают глаза.
Фотонные излучения записывались с короткими интервалами и анализировались на изменчивость, частотный состав и стабильность во времени. Команда сравнила результаты с фоновыми сигналами и изучила корреляции с электрическими ритмами мозга, записанными одновременно.
Результаты
Исследователи обнаружили, что свет, излучаемый мозгом, можно отличить от фонового света по его изменчивости и сложности. UPE мозга демонстрировали более высокую энтропию и более динамичный сигнал, чем фоновые записи. Эти излучения также показали характерный частотный профиль ниже 1 Гц, что означает, что свет колебался в медленных ритмических паттернах примерно раз в одну-десять секунд. Эта особенность отсутствовала в фоновом свете и была особенно выражена в затылочной области.
Ученые также заметили, что UPE мозга, по-видимому, достигали устойчивого состояния во время каждого задания, особенно к концу двухминутных сегментов записи. Эти стабильные паттерны менялись, когда участники переходили между состояниями с открытыми и закрытыми глазами, что позволяет предположить, что излучения отражают изменения внутреннего состояния мозга. Однако направление изменений не было одинаковым у всех участников, что может отражать индивидуальные различия или сложность лежащих в основе метаболических процессов.
Когда исследователи сравнили UPE с электрическими ритмами мозга, они обнаружили умеренные корреляции. Например, альфа-ритмы — часто связанные с расслабленным бодрствованием и усиливающиеся при закрытых глазах — коррелировали с фотонными излучениями из затылочной области, но только когда глаза участников были закрыты. Они также обнаружили некоторые связи между изменчивостью UPE и ритмами височной доли во время звуковой стимуляции. Тем не менее, связи были не очень сильными, и многие ожидаемые корреляции не проявились, что подчеркивает необходимость дальнейших исследований.
Ограничения и перспективы
Хотя результаты обнадеживают, авторы предупреждают, что это предварительное исследование с несколькими ограничениями. Размер выборки был небольшим, а оборудование для записи охватывало лишь несколько областей головы. Датчики также фиксировали широкий диапазон длин волн, что могло скрывать более специфические световые паттерны. Более точные фильтры или детекторы могли бы помочь выявить характерные сигнатуры, связанные с различными функциями мозга.
Исследователи также предполагают, что расширение массива датчиков может улучшить пространственное разрешение и помочь определить источники UPE в мозге. Поскольку эти излучения связаны с метаболической активностью, они могут исходить из различных типов клеток, включая нейроны и глиальные клетки, а также из разных глубин мозга. Разработка методов локализации этих сигналов станет важным следующим шагом.
В исследовании не проводились измерения других частей тела, что могло бы помочь прояснить, происходят ли аналогичные световые излучения в не-мозговых тканях и чем они отличаются. Включение 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 расшифровать паттерны UPE и использовать их для выявления мозговых расстройств или мониторинга здоровья мозга.
Заключение
«Мы рассматриваем текущие результаты как демонстрацию концепции, показывающую, что паттерны UPE-сигналов человеческого мозга можно отличить от фоновых световых сигналов в темноте, несмотря на чрезвычайно низкую относительную интенсивность сигнала», — пишут исследователи.
«Фотоэнцефалография была бы максимально неинвазивной (то есть пассивной записью) с высоким временным разрешением, подобно ЭЭГ или МЭГ; однако измерение UPE было бы связано с окислительным метаболизмом, что открывает несколько клинических применений. Будущие исследования могут добиться успеха, используя специальные фильтры и усилители для выделения и усиления характеристик UPE-сигналов от здорового и больного мозга».
Исследование под названием «Исследование сверхслабых фотонных излучений как оптических маркеров мозговой активности» было проведено Хейли Кейси, Изабеллой ДиБерардино, Маттией Бонцанни, Николя Руло и Нирошей Дж. Муруган.
