שליטה במוח: התפרצויות בטא של גלי המוח ותפקידם בשליטה קוגניטיבית

התפרצויות של מקצבי מוח עם תדרי "בטא" שולטים היכן ומתי נוירונים בקליפת המוח מעבדים מידע חושי ומתכננים תגובות. מחקר התפרצויות אלה ישפר את ההבנה של קוגניציה והפרעות קליניות, כותבים חוקרים.

המוח מעבד מידע בהיקפים רבים. תאים בודדים משדרים אותות אלקטרוכימית במעגלים, אך בקנה מידה גדול הנדרש לייצור קוגניציה, מיליוני תאים פועלים במקביל, מונעים על ידי אותות קצביים בתדרים משתנים. לימוד טווח תדרים אחד במיוחד, מקצבי בטא בין כ-14-30 הרץ, מכיל את המפתח להבנה כיצד המוח שולט בתהליכים קוגניטיביים – או מאבד שליטה בהפרעות מסוימות – טוען צוות של מדעני מוח במאמר סקירה חדש.

מקצבי בטא בשליטה קוגניטיבית

בהסתמך על נתונים ניסיוניים, מודלים מתמטיים ותיאוריה, המדענים טוענים כי פרצי מקצבי בטא שולטים בקוגניציה במוח על ידי ויסות היכן ומתי גלי תדר גמא גבוהים יותר יכולים לתאם נוירונים כדי לשלב מידע חדש מהחושים או לגבש תוכניות פעולה . פרצי בטא, הם טוענים, מבססים במהירות דפוסים גמישים אך מבוקרים של פעילות עצבית ליישום מחשבה מכוונת.

"הקוגניציה תלויה בארגון מחשבה מכוונת מטרה, אז אם אתה רוצה להבין קוגניציה, אתה צריך להבין את הארגון הזה", אמר מחבר שותף ארל ק. מילר, פרופסור פיקוור במכון פיקוור ללמידה וזיכרון ובמחלקה למוח. ומדעי הקוגניציה ב MIT. "ביתא היא טווח התדרים שיכול לשלוט על נוירונים בקנה מידה מרחבי נכון כדי לייצר מחשבה מאורגנת."

מילר ועמיתיו מיקאל לונדקוויסט, ג'ונתן נורדמרק ויוהאן ליליפורס במכון קרולינסקה ופאוול הרמן במכון הטכנולוגי המלכותי של KTH בשבדיה, כותבים שלימוד פרצי מקצבי בטא כדי להבין איך הם מופיעים ומה הם מייצגים לא רק יעזור להסביר קוגניציה, אך גם סיוע באבחון וטיפול בהפרעות קוגניטיביות.

"בהתחשב ברלוונטיות של תנודות בטא בקוגניציה, אנו צופים שינוי מהותי בפרקטיקה של זיהוי סמנים ביולוגיים, במיוחד לאור הבולטות של התפרצות בטא בתהליכי בקרה מעכבים… וחשיבותם ב הפרעת קשב וריכוזסכיזופרניה ו אלצהיימר מחלה", הם כותבים בכתב העת מגמות במדעי הקוגניציה.

בטא נתונים

מחקרים ניסיוניים המכסים כמה מִין כולל בני אדם, מגוון אזורי מוח ומשימות קוגניטיביות רבות חשפו מאפיינים מרכזיים של גלי בטא בקליפת המוח, כותבים המחברים: מקצבי בטא מתרחשים בהתפרצויות מהירים אך עוצמתיים; הם מעכבים את הכוח של מקצבי גמא בתדר גבוה יותר; ולמרות שמקורם באזורי מוח עמוקים יותר, הם מטיילים בתוך מיקומים ספציפיים של קליפת המוח. בהתחשב בתכונות אלה יחד, כותבים המחברים שכולם תואמים ויסות מדויק וגמיש, במרחב ובזמן, של פעילות קצב הגמא שניסויים מראים נושאים אותות של מידע חושי ותוכניות מוטוריות.

"התפרצויות בטא מציעות אפוא הזדמנויות חדשות לחקור כיצד תשומות חושיות מעובדות באופן סלקטיבי, מעוצבות מחדש על ידי פעולות קוגניטיביות מעכבות ובסופו של דבר מביאות לפעולות מוטוריות", כותבים המחברים.

לדוגמא, מילר ועמיתיו הראו בבעלי חיים שבקליפת המוח הקדם-מצחית במשימות זיכרון עבודה, פרצי בטא ישירים כאשר פעילות גמא יכולה לאחסן מידע חושי חדש, לקרוא את המידע כשצריך להשתמש בו, ואז להשליך אותו כאשר הוא כבר לא רלוונטי. לדוגמא נוספת, חוקרים אחרים הראו שבטא עולה כאשר מתנדבים אנושיים מתבקשים לדכא קשר שנלמד בעבר בין צמדי מילים, או לשכוח רמז כי הוא לא ישמש עוד במשימה.

במאמר בשנה שעברה, לונדקוויסט, הרמן, מילר ואחרים ציטטו כמה שורות של עדויות ניסויות להשערה כי פרצי בטא מיישמים שליטה קוגניטיבית במרחב במוח, ובעצם מגבילים את כתמי הקורטקס לייצג את הכללים הכלליים של משימה אפילו כנוירונים בודדים. בתוך אותם תיקונים מייצגים את התוכן הספציפי של המידע. לדוגמה, אם משימת זיכרון העבודה היא לזכור שילוב של נעילת כרית, מקצבי בטא יישמו כתמי קליפת המוח עבור השלבים הכלליים "פנה שמאלה", "פנה ימינה", "פנה שוב שמאלה", מה שיאפשר לגמא לאפשר נוירונים בתוך כל אחד מהם. תיקון לאחסון ובהמשך לזכור את המספרים הספציפיים של השילוב. הערך הכפול של עיקרון מארגן כזה, הם ציינו, הוא שהמוח יכול ליישם במהירות כללי משימה על נוירונים רבים בו-זמנית ולעשות זאת מבלי צורך להקים מחדש את המבנה הכללי של המשימה אם המספרים האישיים משתנים ( כלומר אתה מגדיר שילוב חדש).

תופעה חשובה נוספת של התפרצויות בטא, כותבים המחברים, היא שהם מתפשטים למרחקים ארוכים במוח, ומשתרעים על פני אזורים מרובים. לימוד כיוון הנסיעות המרחביות שלהם, כמו גם התזמון שלהם, יכול לשפוך אור נוסף על האופן שבו מיושמת שליטה קוגניטיבית.

רעיונות חדשים מולידים שאלות חדשות

פרצי קצב בטא יכולים להיות שונים לא רק בתדירות שלהם, אלא גם משך, משרעת, מקור ומאפיינים אחרים. מגוון זה מדבר על הרבגוניות שלהם, כותבים המחברים, אך גם מחייב את מדעני המוח לחקור ולהבין את הצורות השונות הללו של התופעה ואת מה שהם מייצגים כדי לרתום מידע נוסף מאותות עצביים אלה.

"זה מהר מאוד הופך מסובך מאוד, אבל אני חושב שההיבט החשוב ביותר של פרצי בטא הוא ההנחה הפשוטה והבסיסית מאוד שהם שופכים אור על האופי החולף של תנודות ותהליכים עצביים הקשורים לקוגניציה", אמר לונדקוויסט. "זה משנה את המודלים שלנו. של הכרה וישפיע על כל מה שאנו עושים. במשך זמן רב הנחנו באופן מרומז או מפורש תנודות מתמשכות שיש בהן ניסויים וניתוחים צבעוניים. כעת אנו רואים גל ראשון של מחקרים המבוססים על החשיבה החדשה הזו, עם השערות חדשות ודרכים לנתח נתונים, והוא אמור להתגבר רק בעוד שנים".

המחברים מכירים בבעיה מרכזית נוספת שחייבת להיפתר על ידי מחקר נוסף – כיצד מתעוררים פרצי בטא מלכתחילה כדי לבצע את תפקידם לכאורה בשליטה קוגניטיבית?

"לא ידוע כיצד נוצרים התפרצויות בטא כמתווך של פקודה ביצועית המזרימה לאזורים אחרים במוח", כותבים המחברים.

המחברים אינם טוענים שיש להם את כל התשובות. במקום זאת, הם כותבים, כי נראה שלמקצבי בטא יש תפקיד אינטגרלי בשליטה בקוגניציה, כדאי לשאול את השאלות שטרם נענו.

"אנו מציעים שהתפרצויות בטא יספקו גם למחקרים ניסויים וגם למחקרים חישוביים חלון שדרכו ניתן לחקור את הארגון והביצוע בזמן אמת של פונקציות קוגניטיביות", הם מסכמים. "כדי למנף את הפוטנציאל הזה במלואו, יש צורך לטפל בשאלות הבולטות באמצעות פרדיגמות ניסיוניות חדשות, שיטות אנליטיות וגישות מודלים."