Человеческий мозг образован сложной сетью нейронных связей, и большинство из них связывают соседние области мозга, которые также являются наиболее изученными на сегодняшний день. Но недавнее нейробиологическое исследование Университета Помпеу Фабра (UPF) и Оксфордского университета, опубликованное в Proceedings of the National Academy of Sciences , показало, что связи между отдаленными областями мозга, хотя и более редкие и менее частые, играют фундаментальную роль в объяснении динамики мозга.

Роль этих дальних связей можно сравнить с ролью аэропорта-хаба, который — при дальних рейсах — напрямую соединяет разные части света без необходимости остановок, что значительно удлинило бы поездку. В случае мозга дальние связи служат для более быстрой и прямой передачи информации между удаленными регионами (без необходимости проходить через все соседние регионы, которые их разделяют). Это обеспечивает оптимальную и эффективную обработку информации.

Связи между отдаленными областями мозга активируются как спонтанно в состоянии покоя, так и при выполнении многочисленных когнитивных функций в нашей повседневной жизни, что позволяет нам выполнять определенные задачи. Например, для такой простой задачи, как запоминание только что увиденного изображения, мозг соединяет лобную долю (которая отвечает за кратковременную память ) с затылочной долей, которая отвечает за восприятие изображений.

Большинство исследований на сегодняшний день сосредоточены на ближних связях между соседними регионами.
Однако большинство предыдущих исследований были сосредоточены на ближних связях не только потому, что их число существенно больше, но и потому, что они помогли сформировать геометрию мозга на протяжении всей эволюции человека как вида.

Тот факт, что многие части мозга имеют складки и морщины, как раз и обусловлен последовательными эволюционными движениями, которые стремились сблизить соседние области и облегчить связи между ними. То есть, фактическая геометрия мозга отражает ближние связи, которые устанавливаются между его различными частями. По этой причине так называемая геометрическая модель до сих пор является одной из наиболее часто используемых для анализа динамики мозга.

Однако геометрическая модель не в состоянии охватить всю сложность динамики мозга в целом, поскольку для этого необходимо учитывать редкие, дальние связи, предупреждают исследователи в своей статье.

Исследование основано на построении крупномасштабных вычислительных моделей мозга, которые позволяют объяснить механизмы, лежащие в основе динамики мозга. Таким образом, авторы показали, что когда модель включает в себя ближние и дальние связи, функциональная сложность человеческого мозга может быть лучше понята. Таким образом, она преодолевает ограничения геометрических моделей, основанных на ближних связях между соседними областями, для объяснения пространственно-временной динамики, которая происходит в мозге в целом, за пределами функционирования конкретных областей.

Ведущий автор статьи Якуб Вохрыжек (UPF) комментирует: «Объяснение того, как структура мозга порождает его возникающую динамику, является первоочередной задачей в нейронауке. Мы хотели выяснить, каковы основные ограничения конфигурации функций мозга. В последнее время связность мозга и геометрия стали двумя важными характеристиками архитектуры мозга. Наше исследование объединяет эти принципы и расширяет предыдущие выводы, поскольку оно рассматривает исключительную дальнюю связность как определяющую характеристику, которая формирует когнитивные способности человеческого мозга».

В настоящее время Вогрызек является исследователем в исследовательской группе вычислительной нейронауки в Центре мозга и познания UPF (CBC), которую возглавляет профессор Густаво Деко, главный исследователь недавнего исследования, совместно с Мортеном Л. Крингельбахом (Оксфордский университет), который руководил докторской диссертацией Вогрызека.

Это исследование было проведено с использованием данных об активности мозга 255 молодых людей в хорошем состоянии здоровья, полученных с помощью магнитно-резонансной томографии, при выполнении определенных задач или в состоянии покоя. Они были взяты из базы данных проекта Human Connectome, где нейробиологи со всего мира делятся результатами и информацией относительно исследований мозговых связей.

Направление исследований, которое может дать новые подсказки относительно эволюции вида.
На основе результатов исследования могут быть инициированы новые направления исследований для лучшего понимания причин различных нейропсихиатрических расстройств, которые могут быть связаны с дисфункциями дальних связей. Исследование также прокладывает путь к более глубокому изучению различий между человеческим мозгом и мозгом других животных, а также к предоставлению новых подсказок относительно эволюционного процесса вида. Например, непрерывность этого направления исследований может пролить свет на то, как формировался мозг Homo sapiens и как он отличался от других видов, таких как обезьяны, с которыми у нас есть общие предки.

В этой связи Густаво Деко, директор исследовательской группы вычислительной нейронауки CBC-UPF, заключает: «Это исследование не только расширяет наше понимание того, как анатомия мозга формирует динамику мозга, но и изучает уникальный вклад редких, дальних связей. Это говорит о том, что дальние структурные связи мозга, которые играют решающую роль в срочной обработке информации, могли быть сформированы под эволюционным давлением, что позволило возникнуть сложным когнитивным функциям».

«Эволюционная динамика могла усовершенствовать эти связи, чтобы обеспечить более высокие когнитивные способности. Это создает основу для интересных перспектив для будущих сравнительных исследований между видами с целью прояснения этих событий».