Naukowcy z Uniwersytetu Nowojorskiego stworzyli mapę szlaków słuchowych wyładowań ubocznych w mózgu, które pomagają odróżnić dźwięki generowane przez siebie od dźwięków zewnętrznych u pacjentów z padaczką.
Badanie identyfikuje rolę kory ruchowej w zarządzaniu tymi sygnałami i dostarcza wglądu w schizofrenię, wyjaśniając halucynacje słuchowe jako zakłócenia tych ścieżek.
Zrozumienie słuchowego wyładowania następczego
Eksperymenty z udziałem osób chorych na padaczkę ujawniły obwody elektryczne w mózgu, które umożliwiają mu odróżnianie dźwięków generowanych przez siebie, takich jak własny głos, od szumu tła.
Sygnały te, zwane wyładowaniami słuchowymi, powstają i kończą się w określonych obszarach zewnętrznej warstwy mózgu, czyli kory mózgowej. Kora ruchowa, odpowiedzialna za dobrowolne ruchy mięśni, w tym tych używanych podczas mowy, współpracuje z korą słuchową, która reguluje słuch.
Perspektywy ewolucyjne i implikacje kliniczne
Z ewolucyjnego punktu widzenia umiejętność odróżniania własnych dźwięków od dźwięków innych prawdopodobnie odegrała kluczową rolę w przetrwaniu. Mechanizm ten, zasilany szybkimi sygnałami elektrycznymi trwającymi milisekundy, pomaga zwierzętom takim jak świerszcze rozpoznawać własne ćwierkanie godowe, pozwala ptakom śpiewającym skupić się na śpiewie i umożliwia nietoperzom nawigację za pomocą echa dźwiękowego.
Uważa się również, że u ludzi zakłócenia w tym systemie są oznaką halucynacji słuchowych, czyli „słyszenia głosów” u osób chorych na schizofrenię, które nie potrafią odróżnić prawdziwego głosu od dźwięków zewnętrznych, twierdzą autorzy badania. Uważa się, że za jąkanie odpowiedzialne są także zakłócenia w słuchowych sygnałach wyładowań ubocznych.
Wyzwania w badaniach sygnałów ludzkiego mózgu
W poprzednich eksperymentach śledzono ten elektryczny obwód mózgu aż do kory ruchowej u innych ssaków, jednak w tej dziedzinie trudno było określić, skąd w ludzkiej korze ruchowej pochodzą sygnały wyładowań. Dzieje się tak częściowo ze względu na trudności w rejestrowaniu aktywności mózgu, gdy ludzie nie śpią i mówią, ale głównie ze względu na złożoność analizy komputerowej potrzebnej do analizy nagrań.
Badanie NYU dotyczące sygnałów słuchowych u pacjentów z padaczką
Na potrzeby nowego badania, prowadzonego przez naukowców z NYU Langone Health, jego Instytutu Neuroscience Institute i NYU Tandon School of Engineering, neurobiolodzy przeprowadzili eksperymenty głosowe u ośmiu dorosłych chorych na padaczkę. Wszyscy przeszli rutynową operację w celu ustalenia źródła napadów i zgłosili się na ochotnika do udziału w ćwiczeniach słownych.
Opublikowano 3 grudnia w Proceedings of National Academy of Sciences (PNAS)w raporcie opisano, w jaki sposób naukowcy zmapowali słuchowe sygnały wyładowań ubocznych z dolnej, czyli brzusznej, części kory ruchowej, podobszaru zwanego zakrętem przedśrodkowym. Następnie odkryto, że sygnały elektryczne trwające średnio 120 milisekund przemieszczają się w dół i przez fałdy zakrętu przedśrodkowego do sąsiedniego podobszaru kory słuchowej, zwanego zakrętem skroniowym górnym.
Kluczowe ustalenia i spostrzeżenia na temat schizofrenii
„Wierzymy, że nasze badanie rozwiązuje wieloletnią zagadkę naszego rozumienia ludzkiej mowy, dostarczając pierwszego bezpośredniego dowodu na to, że obwody mózgu kory ruchowej biorą udział w wyładowaniach ubocznych, które pozwalają nam zachować czujność wobec otoczenia nawet podczas mówienia” – mówi. główny badacz badania Amirhossein Khalilian-Gourtani, dr. Dr Khalilian-Gourtani jest pracownikiem naukowym ze stopniem doktora na Oddziale Neurologii Grossman School of Medicine na Uniwersytecie Nowojorskim.
„Nasze odkrycia dostarczają również konkretnego wglądu w schizofrenię, oferując wyjaśnienie źródła halucynacji słuchowych wynikających z przerwania wyładowań ubocznych między korą ruchową mózgu a korą słuchową” – powiedziała dr Adeen Flinker, neurobiolog, starszy badacz.
„My i wielu innych badaczy podejrzewamy, że u niektórych osób chorych na schizofrenię dzieje się to, że nie są one w stanie oddzielić własnego głosu od innych, a nawet od innych bodźców zewnętrznych” – powiedziała dr Flinker, profesor nadzwyczajny na Wydziale Neurologii i NYU Tandon Szkoła Inżynierska.
Metodologia i analiza danych badania
W ramach nowego badania naukowcy dokonali ponad 3200 nagrań elektrycznej aktywności mózgu, podczas gdy pacjenci przeprowadzali serię eksperymentów głosowych podczas planowanych przerw w operacji. U wszystkich pacjentów do mózgów wprowadzono ponad 200 sond, których zadaniem było przede wszystkim monitorowanie aktywności elektrycznej związanej z napadami padaczkowymi. Następnie zespół badawczy wykorzystał model komputerowy do oceny i przewidzenia, które regiony były aktywne w wyładowaniach towarzyszących podczas eksperymentów związanych z mową w słowie, których celem było śledzenie wyładowań.
W jednym z ćwiczeń pacjenci byli proszeni o wysłuchanie, a następnie powtórzenie słowa, np. „balon”; uzupełnij zdanie tym samym słowem, odpowiadając na pytanie „Chłopiec wysadził…?”; i spójrz na zdjęcie balonu i opisz go tym samym słowem.
Każdy test wymagał od pacjenta wyciszenia się, jakie słowo usłyszał, zachowując jednocześnie czujność na otoczenie wizualne i akustyczne, zachowanie skupienia i wypowiedzenie na głos tego samego słowa.
Uczestnikami badania byli głównie mężczyźni i kobiety w wieku 30 i 40 lat, a badanie rejestrowano od 2019 r. na Uniwersytecie Nowojorskim w Langone. Naukowcy zarejestrowali aktywność elektryczną w większości podobszarów mózgów pacjentów, gdy pacjenci słyszeli swoje reakcje na nagrania wypowiedzi czytanych na głos przez inne osoby. Takie testy sprzężenia zwrotnego audio opracowano w celu bezpiecznego badania sposobu, w jaki ludzki mózg uczy się i przetwarza mowę.
Przyszłe kierunki badań
Doktor Flinker twierdzi, że zespół planuje dalsze testy w celu dalszej oceny, w jaki sposób i czy obwód wyładowań ubocznych jest aktywny bezpośrednio przed halucynacjami wywołanymi stymulacją mózgu. Planują także współpracę z psychiatrami nad nieinwazyjnymi metodami badania sygnału u osób chorych na schizofrenię.
Odniesienie: „Następczy obwód wyładowania w ludzkiej mowie” autorstwa Amirhosseina Khaliliana-Gourtaniego, Ran Wanga, Xupeng Chena, Leyao Yu, Patricii Dugan, Daniela Friedmana, Wernera Doyle’a, Orrina Devinsky’ego, Yao Wanga i Adeen Flinker, 3 grudnia 2024 r., Postępowanie Narodowej Akademii Nauk.
DOI: 10.1073/pnas.2404121121
Badanie zostało zapewnione w ramach grantu National Science Foundation IIS-1912286 i Narodowe Instytuty Zdrowia przyznaje R01NS109367, R01NS115929 i R01DC018805.
Oprócz dr Khalilian-Gourtani i dr Flinkera, innymi badaczami z NYU Langone i NYU Tandon biorącymi udział w badaniu są współbadacze Ran Wang; Xufeng Chen; Leyao Yu; Patricia C. Dugan, lekarz medycyny; Daniel Friedman, lekarz medycyny; Wernera Doyle’a; Orrin Devinsky, lekarz medycyny; i Yao Wang, dr.
