Вечно молодой: что происходит с мозгом со временем и как остановить его старение

Со временем стареет не только организм, но и мозг. Если чисто визуально разницы между органами не найти, специалисты на сканах легко увидят слабые связи, уменьшение серого и белого веществ и другие признаки деградации. Елена Пицик, младший научный сотрудник Лаборатории нейронауки и когнитивных технологий Университета Иннополис, объясняет, что происходит с мозгом и как остановить его старение, пишет Хайтек.
Что происходит с мозгом в 30, 40 и 70 лет Наша работа касается типов активности мозга, но фокусом моих исследований является моторная, двигательная активность. Когда человек совершает движения, — это находит отклик в нейронах головного мозга, возникает активация в различных зонах и при этом генерируется активность, которую можно записать. Ее можно проанализировать физико-математическими методами анализа сигнала и выделить некоторые характерные особенности этого сигнала. Они помогут классифицировать разные типы активности — в моем случае разные типы движения.
Фокусом наших исследований стали возрастные отличия — активность при функционировании мозга у молодых и пожилых испытуемых. Эта тема важна из-за нейродегенеративных заболеваний, связанных со старением (болезнь Альцгеймера и болезнь Паркинсона, деменция). Лечения как такового нет, но очень важно рано определить болезнь и начать реабилитацию.
Мозг с возрастом претерпевает очень много изменений, как и весь организм. Они могут быть как структурными, так и функциональными. Структурные — это изменения в функционировании органа. Еще меняется пластичность мозга — именно из-за этого мы обучаемся, не только получаем знания, но и моторные навыки. Это свойство тоже страдает со временем и влияет как на моторные, так и на когнитивные функции.
Как мозг у пожилых компенсирует старение органа Мозг — это орган, который состоит из нескольких долей. В моторной коре сосредоточена наиболее ценная информация о том, как именно он обрабатывает движения. Поэтому по сигналам электрической активности головного мозга, снятых именно с моторной коры, можно получить очень много результатов, выделить паттерны, связанные с движением. Каждая из этих зон ответственна за что-то свое, и движения обрабатываются не только в моторной коре, они вовлекают другие зоны в зависимости от возраста.
Электричество берется из нейронов — так они друг с другом общаются. Оно по связям передается другим нейронам и формирует паттерн. Также есть исследования химических соединений, которые возникают между нейронами, их тоже можно изучать.
Структурные изменения в мозге касаются объема белого и серого вещества. Серое — это вещество мозга, которое состоит из тела нейронов. Это внешняя оболочка мозга, белое вещество по большей части находится внутри и покрыто серым веществом. В белом веществе нет нейронов, но есть связи между нейронами — синапсы.
На функциональной магнитно-резонансной томографии головного мозга здорового пожилого пациента и пациента с болезнью Альцгеймера можно увидеть степень потери серого вещества с возрастом — это нормально. Но при болезни Альцгеймера есть много красных областей. Так обозначают потерю серого вещества больше чем на 4%, это гораздо больше, чем при нормальном старении. В сером веществе содержатся нейроны, поэтому мозг не может функционировать как раньше. А у пожилых пациентов потери не превышают 2% — это в рамках нормы.
Белое вещество содержит в себе синапсы, связи нейронов в нем нет, но оно тоже уменьшается в объеме с возрастом. На сканах 25-летнего человека и 75-летнего человека белые области означают потерю в белом веществе — чаще они теряются из-за старения. Это нормальный процесс, при котором мозг перестраивается.
Сканы человека 25 и 75 лет
Когда говорят о функциональных изменениях, имеют в виду изменения сетевых структур, которые образуются в головном мозге. Сетевая структура может быть построена и обнаружена с помощью анализа электрической активности головного мозга, чем мы и занимаемся. Главным маркером старения является распад или уменьшение количества связей, но одновременно с этим происходит усиление связей между разными сетями. Так мозг хочет компенсировать потерю связи, чтобы сохранить свою функциональность. Это называют компенсаторной функцией.
На сети функциональных связей молодого и пожилого человека без выраженных неврологических заболеваний разница видна сразу. У молодых людей сеть функциональных связей состоит из четырех больших кластеров. При этом с возрастом сети распадаются, связи внутри каждой сети становятся слабее это приводит к распаду сети на несколько подсетей. Но, тем не менее, связи между сетями гораздо мощнее, чем у молодых людей. Именно это является иллюстрацией компенсаторного механизма.
Фунциональные изменения в мозге двух пациентов Как исследуют мозг У нас есть экспериментальная лаборатория, на базе которой мы проводим эксперименты по записи электроэнцефалографических сигналов в различных группах испытуемых. Их можно записывать для разных целей, но я расскажу про моторные функции.
Шапка облегчает установку электродов, которые считывают сигнал из разных областей мозга. Красными квадратиком и кружочками выделены те каналы, которые входят в сенсомоторную область. Они несут наиболее значимую информацию о том, как мозг активируется в момент совершения движений. При этом двигательная активность — это очень растяжимое понятие, это не только совершение движений, но и их планирование.
Как считывают электрическую активность мозга
Паттерны этих видов активности довольно схожи, но их нужно уметь различать. Поэтому мы занимаемся созданием хорошего классификатора и интерфейса мозг-компьютер.
В экспериментах мы пишем фоновую запись, это так называемые записи resting state, во время которого человек сидит сложив руки спокойно. У него открыты глаза, он слушает какую-то музыку, и мы просим не думать ни о чем конкретно, чтобы на записях электроэнцефалограммы не было шумов.
Запись resting state
На записи электроэнцефалограммы числа означают, в какой части мозга они находятся. С3 — это левое полушарие, С4 — правое полушарие. Есть известный эффект о контрлатеральности двигательной активности — если двигать левой рукой, активируется правое полушарие, и наоборот. Поэтому важно писать полную расстановку.
Запись электроэнцефалограммы
В таймлане от 0 до 40 секунд три сигнала выделены фрагментами, там человек совершал движения — сжимал и разжимал руку. По сырым сигналам ничего не видно. Поэтому нужно применять методы анализа сигнала и один из самых классических методов — это частотно-временной анализ.
Частотно-временной анализ
Яркая картинка — это поверхность, она содержит в себе информацию об энергиях каждого частотного диапазона. Сверху представлен фрагмент сигнала EEG, красная вертикальная линия отмечает момент, когда прошел звуковой сигнал — после нее человек совершил движение. Зеленая полоска на поверхности соответствует альфа-ритму. Мы измеряли поверхность и посчитали, что зеленая полоска находится примерно в интервале от 8 до 14 герц, которая соответствует альфа-ритмам.
Альфа-ритм — это базовый ритм головного мозга, который ответственен за большое количество задач. В контексте моторной активности он тоже несет в себе очень большое количество информации о том, как мозг справляется с нашими движениями. Например, известно, что когда человек совершает движение, — альфа-ритм теряет энергию, и это называется десинхронизацией альфа-ритма.
Возрастные отличия Картинка, где представлены две кривые, — это усредненные энергии альфа-ритма. Зеленая линия — это молодые испытуемые от 18 до 35 лет, красная полоска — пожилые испытуемые 55–70 лет примерно.
На левой руке разница не особенно очевидна, но если посмотреть на правую руку, то видно, что альфа-ритм после сигнала, который в нуле, падает в обе группы, энергия снижается, происходит десинхронизация.
Частотно-временной анализ
Но у молодых испытуемых эта десинхронизация держится до конца движения и альфа-ритм восстанавливается после того, как человек разжимает руку. У пожилых испытуемых альфа-ритм начинает восстанавливаться до нулевого уровня, вскоре после того, как он сжал руку.
Можно измерить, оценить возрастные отличия и другим способом. Например, скорость моторной реакции. Часто говорят, что у стариков снижена скорость реакции, движений, реакция, координация. Но как это происходит?
Время реакции — это как быстро нейроны в голове начинают активироваться после того, как человек совершил движение. Мы измерили это для молодых людей и для пожилых испытуемых. Квадратики красного цвета обозначают движение, время реакции для пожилых испытуемых. Синий цвет — для молодых испытуемых. Оказалось, что у пожилых людей время реакции всегда больше, чем у молодых и для левой и для правой руки. А у молодых испытуемых время реакции на правой руке гораздо ниже, чем время реакции на левой руке. И это логично, потому что в нашей выборке только правши.
Также мы наблюдаем пластичность навыка: чем больше моторный навык натренирован, тем быстрее он деградирует с возрастом. Навык левой руки у правшей не особо натренирован, поэтому деградация медленная, и навык правой руки его догоняет. Это приводит к возрастной амбидекстрии, равному развитию функций обеих рук. Правда, в случае с пожилыми людьми, к сожалению, это означает, что они одинаково плохо делают движения и правой, и левой.
На фото ниже синяя картинка — это связи между различными каналами, у молодых людей они сильнее, чем у пожилых. На красной картинке связи, которые у пожилых людей сильнее чем у молодых, — и видно, что они разные. У молодых людей связи сильнее в затылочно-теменной, лобной доле и средней линии.
Сеть функциональных связей двух органов У пожилых основная активность переходит вперед, во фронтальную теменную зону, двустороннюю височную долю. Этот вывод можно сделать на анализе электроэнцефалограммы, записанной в момент до начала движения после сигнала, в промежуток, когда сигнала прозвучал, а человек еще не начал двигать рукой. Этот отрезок содержит много важной информации про планирование движения и реакцию на сигнал.
Победить Альцгеймер Мы можем сделать вывод, что с возрастом снижается эффективность этих нейронных механизмов, которые обрабатывают двигательную активность. Также в контрольной группе, исходя из того, какие зоны активируются у пожилых и у молодых, у последних активно работает двигательная память.
Двигательная память — это то, как мозг помнит разные движения. И вместо того, чтобы выполнять движение каждый раз заново, он черпает ресурс из двигательной памяти, и это позволяет реагировать быстрее. У спортсменов очень развита двигательная память, потому что они тренируют скорость реакции и моторные навыки.
У пожилых людей такого нет, двигательная память работает хуже, поэтому каждое движение нужно совершать заново. За счет этого снижается скорость моторной реакции, выраженность десинхронизации, который выступает маркером  двигательной активности.
Два типа старения Есть мнение, что для пожилых людей болезни Альцгеймера и деменция — это нормально. Почему-то считается, что с возрастом они развиваются что и в этом нет ничего патологического. Но это не так — не зря их называют нейродегенеративными.
При нормальном старении снижается объем белого и серого вещества. Но он снижается управляемо и не так драматично, как при болезни Альцгеймера. Эта болезнь несет разрушительные последствия для головного мозга: практически отсутствует серое вещество, снижается объем белого вещества. К сожалению, сейчас нет никаких стратегий лечения нейродегенеративных заболеваний. Актуальная задача сейчас — разработка методов раннего детектирования признаков этих болезней.