Группа ученых из США и Китая провели исследование связности (коннективности) обонятельной коры и гиппокампа в состоянии покоя.
Они обнаружили, что в отличие от других сенсорных отделов мозга обонятельная кора сохранила прямую связь с гиппокампом, что может послужить ответом на вопрос, почему человек так хорошо запоминает события, связанные с запахами. Более того, ученые обнаружили, что связанность этих отделов мозга во многом зависит от дыхания.
Эволюция мозга
Порой случаются моменты, когда, уловив мимолетный запах, мы вдруг вспоминаем эпизоды давно прошедших лет. Вспоминаем их ярко, удивляясь точности собственной памяти. Получается, что запах играет роль своеобразного ключа к воспоминаниям.
Почему же так происходит? Почему, например, определенный визуальный или аудиальный образ не вызывает у нас подобных волн памяти? Оказывается, такую особенность нашего обоняния можно объяснить организацией нейронных сетей в мозге.
Все, что нам приходится запоминать – это совокупность сигналов внешней среды: звуки, запахи, температура и так далее. Чтобы мозгу получить информацию из окружающего мира, он использует органы чувств. Те, в свою очередь, принимают определенный для них сигнал и передают его в сенсорные зоны мозга, строго определенные для каждого конкретного типа информации.
Изначально сенсорные области были напрямую связаны с гиппокампом – структурой, которая отвечает за формирование воспоминаний. Но в ходе эволюции, с развитием коры больших полушарий, нейронный путь от сенсорной коры человека изменился и направился к ассоциативной коре (в основном, к лобным долям мозга). Это может служить причиной гибкости человеческого поведения по сравнению с животными.
Международная группа исследователей решила убедиться в том, что изменения произошли в организации всех сенсорных путей. В особенности, их интересовала обонятельная зона мозга человека, которая изучена меньше всего.
Логика эксперимента
Исследователи сравнивали связность четырех сенсорных областей с гиппокампом в состоянии покоя: обонятельной коры, соматосенсорной, зрительной и слуховой областей.
Когда мы говорим «гиппокамп», то имеем в виду не совсем его, а область, лежащую вокруг и словно его «обнимающую» – парагиппокампальную извилину. Она служит своеобразной дверью в него и ассоциируется с топографической памятью.
Обонятельная кора состоит из ряда нейронных областей. В нее включают такие структуры, как обонятельные луковицы, грушевидную кору, крючок (uncus), обонятельный бугорок, обонятельные треугольники и некоторые другие. Известно, что из всех областей грушевидная кора более других связана с гиппокампом, поэтому в первую очередь ученые сделали акцент на ней.
Их логика состояла в следующем: если мы лучше запоминаем запахи, чем остальные стимулы, возможно, это говорит о том, что обонятельная кора сохранила свою прямую связь с гиппокампом. Это можно проверить, сравнив коэффициенты связности гиппокампа с обонятельной корой и гиппокампа с другими сенсорными областями. Чтобы провести такое сравнение, нужно проанализировать работу мозга в состоянии покоя, для чего ученые использовали функциональную магнитно-резонансную томографию (фМРТ) и электроэнцефалографию (ЭЭГ).
Связь обоняния и памяти
25 здоровых участников прошли фМРТ сканирование мозга. Ученые проверяли, действительно ли в состоянии покоя коннективность гиппокампа и грушевидной коры будет больше, чем гиппокампа и других сенсорных областей.
Ученые оценивали активацию каждого вокселя (объемного пикселя, который получается в ходе МРТ) во времени для каждого человека. В результате оказалось, что и для правого, и для левого полушария верно то, что связность между обонятельной корой и гиппокампом была сильнее, чем между гиппокампом и другими сенсорными областями.
Стоит отметить, что анализ в основном сконцентрировали на грушевидной коре обонятельной системы. Однако, как мы уже знаем, она – не единственный элемент первичной обонятельной коры. Ученые решили учесть этот факт и проверили, как связываются другие области обонятельной коры с гиппокампом. В результате они убедились, что каждая область характеризуется сильной связью. Другими словами, проведенный ранее анализ не ограничивался только грушевидной корой.
Передняя часть гиппокампа
На следующем этапе ученые проверяли, какая именно зона гиппокампа сильнее всего связана с обонятельной корой (в состоянии покоя). Известно, что сенсорные системы имеют два непрямых пути связи с гиппокампом: объектный (через периренальную кору – зона Бродманна 35) и контекстный (через парагиппокампальную извилину – зоны 26, 29 и 30).
Исследователи “разделили” гиппокамп и парагиппокампальную зону на переднюю и заднюю части. Далее они вычислили связность обеих зон с обонятельной корой. Сравнение двух полученных индексов коннективности показало, что все обонятельные области больше связаны с передней частью гиппокампа (кроме обонятельного бугорка).
Синхронная активность нейронов
У фМРТ сканирования, к сожалению, есть ряд недостатков. Этот метод имеет низкое временное разрешение и не позволяет измерить активность нейронов напрямую. Поэтому ученые решили проверить полученные результаты, используя ЭЭГ. Участниками второй стадии эксперимента стали больные эпилепсией, у которых от 6 до 14 электродов были имплантированы в гиппокамп, причем, как минимум, по одному электроду – в грушевидную и слуховую кору.
Под связанностью работы двух зон мозга на ЭЭГ понимается схожесть паттернов (рисунков) нейрональной активности в этих областях. По сути ученые рассчитывали фазовую когерентность (то есть согласованность) колебаний активности. Например, когерентность максимальная для одинакового сигнала, если сравниваем синусоиду с самой собой. Такой способ подсчета позволяет избежать влияние многих факторов на данные.
Ученые обнаружили синхронность между активностью грушевидной коры и гиппокампа на низких частотах: 3-8 гц. Такая частота, называемая тета-ритмом, соответствует состоянию относительного покоя человека, когда он вспоминает что-либо или создает мысленные образы без излишнего напряжения внимания.
Обоняние – это дыхание?
На итоговой стадии эксперимента ученые проверили, как связано дыхание с синхронизацией активности гиппокампа и обонятельной коры. Для этого они делили ЭЭГ-сигналы на фрагменты: за 0.5 с до вздоха и спустя 5с. Ученые на этот раз вычисляли коэффициент связности обонятельной коры с гиппокампом внутри этих фрагментов. Оказалось, что дыхание приводило к увеличению связности между обонятельной корой и гиппокампом. Причем, существенное увеличение связанности наблюдалось сразу после вдоха. Это подтверждает тот факт, что активность обонятельной системы напрямую связана с дыханием. Видимо, дыхание влияет на нашу память?
Одной из интересных интерпретаций полученных результатов ученые предложили считать идею, что обонятельная кора на самом деле, как и другие сенсорные области, сперва связывается с ассоциативной корой. Только в отличие от других сенсорных областей, она имеет как бы свою, “встроенную” ассоциативную кору.
Эти результаты подтверждают мнение о том, что первичная обонятельная кора напрямую сопряжена с гиппокампом и передает ему сенсорную информацию сразу, но в менее обработанном виде. Этот факт может объяснить трудности вербализации и объяснения запахов: мы понимаем, что это за запах, но не можем объяснить или назвать его, так как не произошло интеграции этой информации с другими знаниями.
Текст: Никита Отставнов