Нейросеть помогла диагностировать ослабление связей между отделами мозга

Команда ученых из БФУ имени И. Канта и Университета Иннополис с помощью методов машинного обучения определили, как с возрастом изменяется связь различных отделов головного мозга и скоординированность их работы. Оказалось, что у пожилых людей при выполнении простых знакомых движений в большей степени активируются нейроны, отвечающие за планирование и обучение. Это подтверждает представление о том, что им сложнее приобретать новые и сохранять уже имеющиеся моторные навыки. Полученные данные могут быть полезны при разработке рекомендаций по сохранению работоспособности мозга у пожилых людей. Результаты исследования, поддержанного грантом Российского научного фонда (РНФ), опубликованы в журнале Sensors.

Все структуры головного мозга взаимодействуют между собой посредством электрических сигналов, которыми обмениваются нервные клетки. Нормальная работа мозга требует постоянного взаимодействия большого числа нейронов, что обеспечивает так называемую функциональную связность, или, проще говоря, согласованность различных его отделов. Функциональные связи часто нарушаются у людей с аутизмом, болезнью Альцгеймера и рассеянным склерозом. Наиболее часто признаком неврологических заболеваний выступают нарушения в нейронных сетях между отдаленными друг от друга частями мозга, например, отвечающими за двигательную активность и когнитивные функции, такие как память и внимание. В результате человеку становится сложнее учиться новому, например осваивать иностранные языки, музыкальные инструменты и рисование. Кроме того, такие связи чувствительны к возрастным изменениям.

Ученые из Балтийского федерального университета имени И. Канта (Калининград) и Университета Иннополис (Иннополис) разработали метод на основе машинного обучения, позволяющий оценить функциональную связность между различными отделами мозга у людей разного возраста. В исследовании принимали участие десять молодых и десять пожилых людей, которым в разных частях головы закрепили пятнадцать датчиков для записи энцефалограммы. Это позволило исследовать активность различных отделов мозга. В первую очередь ученых интересовали теменная и лобная доли, а также двигательная кора мозга, поскольку они объединяют между собой нейроны, отвечающие за восприятие сигналов (сенсорная функция) и за движения (моторная функция). Обе эти составляющие необходимы для нормального контроля человеком своих действий. Авторы записывали активность мозга в двух условиях: когда участники находились в расслабленном состоянии, и когда они по сигналу неоднократно сжимали руку в кулак, а затем расслабляли ее.

Полученные в результате эксперимента электроэнцефалограммы анализировались нейросетью глубокого обучения. Она позволила оценить, устанавливается ли при выполнении заданий связь между моторными и сенсорными участками мозга, и насколько она сильная. Оказалось, что у людей разных возрастных групп кора головного мозга активировалась по-разному. Так, у пожилых испытуемых при выполнении простых движений рукой, по сравнению с молодыми, наблюдалась активизация медленной нейронной активности в так называемом тета-диапазоне, который характерен при обучении и выполнении каких-либо действий впервые. Авторы работы предположили, что причина такого явления — снижение пластичности мозга у людей старшего возраста. Она приводит к тому, что для выполнения даже простых и знакомых действий им требуется задействовать в работу больше нейронных связей, чем молодым людям. При этом у молодых участников эксперимента функциональная связность различных отделов мозга была более сильной. Кроме того, у них в выполнении движений оказывалась более задействована моторная память, поэтому активность нейронов на частоте, связанной с обучением и планированием, была снижена. Это еще раз подтверждает предположение о том, что с возрастом людям становится сложнее приобретать новые моторные навыки и приходится прилагать большие усилия для выполнения двигательных задач.

«Наши результаты показали, что модель функциональной связности хорошо согласуется с современными представлениями о влиянии здорового старения на нейронную активацию. В дальнейшем мы планируем исследовать, помимо сенсомоторных, другие типы межнейронных взаимодействий в мозге», — рассказывает Елена Пицик, младший научный сотрудник Лаборатории нейронауки и когнитивных технологий Университета Иннополис, младший научный сотрудник Балтийского центра нейротехнологий и искусственного интеллекта.