Ученые связали структуру нарушений в сетях мозга с симптомами шизофрении

Ученые впервые комплексно описали, как нарушения нейронных связей в мозге на разных уровнях — от связей между отделами мозга до сетей внутри этих отделов — влияют на развитие шизофрении. Оказалось, что усиление связей в сенсорных и других сетях мозга приводит к неэффективной работе соответствующих отделов и может быть причиной галлюцинаций у пациентов. Кроме того, ученым удалось подтвердить, что ослабевание связей в височно-лобных долях служит одной из основных причин возникновения заболевания, так как приводит к неправильному считыванию физиологических сигналов, изменению в поведении и нарушению принятия решений. Разработанная методика в комбинации с подходами искусственного интеллекта открывает путь к более точной диагностике и персонализированной терапии шизофрении. Результаты исследования, поддержанного грантом Российского научного фонда (РНФ), опубликованы в журнале Psychiatry Research: Neuroimaging.

Шизофрения — одно из самых сложных психических заболеваний, от которого страдает примерно 23 миллиона человек во всем мире. Она имеет биологическую основу, как астма или диабет, и при правильном и постоянном лечении люди с шизофренией могут жить полноценной жизнью. Исследования показывают, что болезнь развивается в результате нарушения связей между нервными клетками (нейронами) в мозге. Так, сбои в совместной работе крупномасштабных сетей (отделов мозга) приводят к характерным симптомам: галлюцинациям, бреду, нарушениям мышления и снижению мотивации. Однако оставалось не до конца понятно, как на развитие шизофрении влияют нарушения на разных уровнях мозговой организации — от взаимодействия отделов мозга до связи между отдельными регионами внутри этих отделов.

Ученые из Российского экономического университета имени Г.В. Плеханова (Москва), Самарского государственного медицинского университета (Самара), совместно с коллегами из Пловдивского медицинского университета (Болгария) разработали многоуровневый способ анализа активности головного мозга, который позволяет оценить нарушения в его работе на разных уровнях. В основе подхода лежит функциональная магнитно-резонансная томография (фМРТ) в состоянии покоя — метод измерения активности мозга в моменты, когда человек ничего не делает.

Исследователи получили данные фМРТ для 43 пациентов с диагнозом «шизофрения» и 63 здоровых добровольцев из контрольной группы. Авторы анализировали результаты на двух разных масштабах: они оценили общую организацию нейронных сетей всего мозга (глобальный уровень) и изучили функции 15 крупномасштабных сетей, таких как сети пассивного режима работы мозга, зрительная и аудиальная сеть и другие (макроуровень).

Затем ученые выявили конкретные нарушенные связи между отдельными областями мозга с помощью сетевой статистики — математического метода, который используют для выявления значимых характеристик сетей в мозге. Для наглядного представления результатов авторы применили оригинальный мультиграфовый подход, позволяющий учитывать разные типы связей и показывающий, как меняются взаимодействия между нейронными сетями у пациента с шизофренией по сравнению со здоровым мозгом.

Оказалось, что на глобальном уровне нейронные сети пациентов с шизофренией имеют повышенную плотность связей по сравнению с нормой, кроме того, эти сети склонны формировать локальные группы из отдельных связей. В результате связей между отделами мозга становится больше, но эффективность работы этих отделов снижается, так как они начинают мешать друг другу, создавая «информационный шум». Из-за этого мозг тратит больше ресурсов на бесполезную работу.

На макроуровне в сенсорных сетях (например, слуховой) и сети выявления значимости — специальном регуляторе, который позволяет нам переключаться между внутренними мыслями и внешними задачами, — наблюдалось усиление нейронных связей (образование их групп). Это указывает на неэффективную обработку информации внутри этих систем. Кроме того, между сетями высшей когнитивной деятельности — такими как сеть внимания — наблюдалось «размытие границ». Это значит, что сети, обрабатывающие внутренние мысли и информацию из внешнего мира, были плохо разделены. Все это может быть нейронной основой галлюцинаций.

Также ученые обнаружили ослабление связи между височными (которые считывают сигналы всего тела), орбитофронтальными (отвечающими за социальное поведение) и поясными (направляющими фокус внимания на важные задачи) областями мозга. Это значит, что отделы, которые должны слаженно работать, чтобы фильтровать информацию и управлять вниманием, плохо связываются друг с другом. Таким образом, авторы нашли прямое подтверждение того, что в развитии симптомов шизофрении центральную роль играет нарушение работы височно-лобной доли.

«Предложенный нами метод служит мощным и универсальным инструментом для анализа данных МРТ и может быть применен к другим нейропсихиатрическим заболеваниям, таким как биполярное расстройство и депрессия. Выявление связей между изменениями в нейронных сетях и основными симптомами открывает возможности для разработки более целенаправленных методов лечения и диагностики. В дальнейшем мы планируем расширить области применения данного метода на примере других нейропсихиатрических и неврологических заболеваний, а также заняться его объединением с алгоритмами искусственного интеллекта для развития перспективных диагностических систем» — рассказывает участник проекта, поддержанного грантом РНФ, Семен Куркин, доктор физико-математических наук, главный научный сотрудник НИИ Прикладного искусственного интеллекта и цифровых решений Российского экономического университета имени Г.В. Плеханова.