Η ηλεκτρική δραστηριότητα του εγκεφάλου που είναι γνωστή ως «εγκεφαλικά κύματα» έχει συγκεντρώσει το ενδιαφέρον της επιστημονικής κοινότητας και του κοινού εδώ και περισσότερο από 100 χρόνια. Ωστόσο η λειτουργία τους είναι ένα θέμα το οποίο είναι ακόμα υπό διερεύνηση. Αρκετοί νευροεπιστήμονες έχουν διατυπώσει την υπόθεση ότι η δράση των εγκεφαλικών κυμάτων βασίζεται στη συγχρονισμένη τους ταλάντωση σε διάφορες περιοχές του εγκεφάλου. Τελευταία δεδομένα, ωστόσο, δείχνουν ότι ορισμένα εγκεφαλικά κύματα αποτελούν ουσιαστικά «κύματα που ταξιδεύουν» τα οποία κινούνται μηχανικά κατά μήκος του εγκεφάλου, όπως τα κύματα της θάλασσας.

Μία νέα μελέτη από το Columbia University με επικεφαλή το νευροεπιστήμονα Joshua Jacobs υποστηρίζει ότι τα κύματα που ταξιδεύουν είναι διεσπαρμένα στον ανθρώπινο φλοιό (την περιοχή που λαμβάνουν χώρα οι ανώτερες γνωστικές λειτουργίες) και οργανοποιούνται περισσότερο ανάλογα με τη διακπεραίωση διαφόρων δραστηριοτήτων από τον εγκέφαλο. Αυτό δείχνει ότι τα εγκεφαλικά κύματα σχετίζονται με τη συμπεριφορά, γεγονός που ενισχύει προηγούμενες έρευνες που είχαν θεωρήσει τα κύματα αυτά σημαντικό κομμάτι του εγκεφάλου που εμπλέκεται στη μνήμη, την αντίληψη, την προσοχή, ακόμα και τη συνείδηση.

Τα εγκεφαλικά κύματα ανακαλύφθηκαν αρχικά με τη χρήση του ηλεκτροεγκεφαλογραφήματος, κατά το οποίο τοποθετούνται ηλεκτρόδια στην κεφαλή. Καταγράφηκαν έτσι διαφορετικές συχνότητες οι οποίες κυμαίνονται σε ένα μεγάλο εύρος και συγκεκριμένα από κύματα δέλτα (0.5-4 Hz) μέχρι κύματα γάμμα (25-140 Hz). Τα πιο αργά κύματα παρατηρούνται κατά τη διάρκεια του ύπνου, με την αυξημένη συχνότητα να σχετίζεται με αυξημένα επίπεδα συνείδησης και συγκέντρωσης. Η ερμηνεία των δεδομένων του ηλεκτροεγκεφαλογραφήματος είναι δύσκολη λόγω της μειωμένης ικανότητάς μας να ανιχνεύσουμε το ακριβές σημείο που συμβαίνει η δραστηριότητα, καθώς και του γεγονότος ότι τα σήματα παραμορφώνονται καθώς ανιχνεύονται μέσα από τα οστά του κρανίου. Η παρούσα έρευνα, που δημοσιεύτηκε στο επιστημονικό περιοδικό Neuron, χρησιμοποίησε μία νέα εξέταση που λέγεται ηλεκτροφλοιογράφημα. Με την τεχνική αυτή περιορίζονται σημαντικά οι αλλοιώσεις και βελτιώνεται σε μεγάλο βαθμό η ανάλυση.

Έχουν προταθεί διάφοροι πιθανοί ρόλοι για τα εγκεφαλικά κύματα. Μία υπόθεση υποστηρίζει ότι η συγχρονισμένη ταλάντωση έχει σκοπό να «συνδέσει» πληροφορίες από διάφορες περιοχές του εγκεφάλου που αναφέρονται στο ίδιο «αντικείμενο», όπως τα διάφορα χαρακτηριστικά αυτού (σχήμα, χρώμα, κίνηση κλπ). Μία άλλη παρόμοια υπόθεση λέει ότι διευκολύνουν τη μεταφορά πληροφοριών στια διάφορες περιοχές του εγκεφάλου. Ωστόσο, οι παραπάνω δύο υποθέσεις είναι βάσιμες μόνο αν τα εγκεφαλικά κύτταρα είναι συγχρονισμένα και σταθερά και όχι αν ταξιδεύουν. Αυτό έχει ιδιαίτερη σημασία, καθώς τα κύματα που ταξιδεύουν μπορεί να έχουν διαφορετικές ιδιότητες, όπως για παράδειγμα να αντιπροσωπεύουν πληροφορίες για προηγούμενες καταστάσεις άλλων περιοχών του εγκεφάλου. Το γεγονός ότι μεταφέρονται μηχανικά κατά μήκος του εγκεφάλου όπως ο ήχος μέσω του αέρα, τα καθιστά δυνητικά ένα μηχανισμό για τη μεταφορά πληροφοριών από μία περιοχή σε μία άλλη.

Οι παραπάνω υποθέσεις έχουν διατυπωθεί εδώ και δεκαετίες, ωστόσο η πλειοψηφία των νευροεπιστημόνων δεν τους δίνει ιδιαίτερη σημασία. Ένας πιθανός λόγος είναι ότι μέχρι προσφάτως, όλες οι αναφορές των κυμάτων που ταξιδεύουν περιγράφουν απλά την ύπαρξή τους και όχι τη σημασία τους. «Αν ρωτήσετε ένα νευροεπιστήμονα, θα σας απαντήσει ότι τα κύματα αυτά αποτελούν ένα επιφαινόμενο (όπως ο ήχος που κάνει μία μηχανή όταν λειτουργεί)», είπε ο Terry Sejnowski, ένας νευροεπιστήμονας ο οποίος σχολίασε τα αποτελέσματα της έρευνας. «Και καθώς δεν έχει συνδεθεί με καμία συμπεριφορά ή λειτουργία, δεν αποτελεί κάτι σημαντικό».

Τα εργαλεία που χρησιμοποιούν οι ερευνητές μπορεί επίσης να έχουν παίξει ρόλο. Οι νευροεπιστήμονες σήμερα μελετούν τη συμπεριφορά ενός νευρώνα κάθε φορά με τη χρήση βελονοειδών μικροηλεκτροδίων. Ερευνητές στον τομέα αυτό παρατήρησαν ότι η χρονική στιγμή που ενεργοποιείται ένας νευρώνας διαφοροποιείται σε κάθε έρευνα. Συμπέραναν ότι ο χρόνος αυτός έχει σημασία και ξεκίνησαν να συγκεντρώνουν δεδομένα από διάφορες έρευνες για να καταλήξουν σε ένα μέσο «χρόνο ενεργοποίησης». Αυτός έγινε στη συνέχεια ο βασικός τρόπος ποσοτικοποίησης της νευρωνικής δραστηριότητας. Οι διαφορές στις έρευνες αποδόθηκαν επομένως στη φάση που βρίσκεται ο κάθε νευρώνας. Η πρακτική αυτή, ωστόσο, δεν λαμβάνει υπόψη τις πληροφορίες που χρειάζονται αναφορικά με το χρόνο προκειμένου να αναλυθούν τα κύματα που ταξιδεύουν. «Έγινε μία προσπάθεια να εξετάσουμε τον εγκέφαλο συνολικά και όχι έναν νευρώνα ξεχωριστά», είπε ο Sejnowski, «ωστόσο ο εγκέφαλος λειτουργεί μέσω νευρώνων που αλληλεπιδρούν μεταξύ τους». Καθώς τα κύματα που ταξιδεύουν αντιπροσωπεύουν τη δραστηριότητα αρκετών νευρώνων του εγκεφάλου, δεν είναι ορατά από τεχνικές που εξετάζουν ένα μόνο νευρώνα. Τα τελευταία χρόνια έχουν εμφανιστεί νέες τεχνικές που επιτρέπουν την παρακολούθηση αρκετών νευρώνων ταυτόχρονα. «Αυτό μας έχει επιτρέψει να δούμε τη μεγάλη εικόνα», είπε ο Sejnowski. «Για πρώτη φορά έχουμε τα εργαλεία και τις τεχνικές να δούμε τι συμβαίνει πραγματικά».

Οι οπτικές μέθοδοι, όπως οι χρώσεις με ευαισθησία στην τάση, έχουν επιτρέψει στους ερευνητές να παρακολουθήσουν τις ηλεκτρικές αλλαγές σε χιλιάδες νευρώνες ταυτόχρονα, ωστόσο δεν είναι δυνατό να χρησιμοποιηθούν σε ανθρώπους λόγω των κινδύνων που τις συνοδεύουν. Το ηλεκτροφλοιογράφημα χρησιμοποιείται ευρέως σήμερα στους ασθενείς με επιληψία για τη διερεύνηση των κρίσεων. Οι επιστήμονες της νέας αυτής μελέτης, εξέτασαν 77 εθελοντές με επιληψία στους οποίους ήταν εύκολο να γίνει ηλεκτροφλοιογράφημα. Προσπάθησαν να ανιχνεύσουν ομάδες ηλεκτροδίων που κατέγραφαν ταλαντώσεις της ίδιας συχνότητας. Σχεδόν τα 2/3 όλων των ηλεκτροδίων αποτελούσαν μέρος τέτοιων ομάδων, οι οποίες ήταν παρούσες στο 96% των ασθενών. Οι ερευνητές στη συνέχεια εξέτασαν ποιες ομάδες αντιπροσώπευαν κύματα που ταξιδεύουν, αναλύοντας τους χρόνους των ταλαντώσεων. Αν οι συνεχόμενες ταλαντώσεις αποτελούν μέρος ενός τέτοιου κύματος, καθεμία από αυτές θα έχει καθυστέρηση ή θα προηγείται ανάλογα με την κατεύθυνση του κύματος. Τα 2/3 των ομάδων που ανιχνεύθηκαν ήταν κύματα με κατεύθυνση από τον οπίσθιο προς τον πρόσθιο φλοιό. Αυτές περιελάμβαναν τα μισά περίπου ηλεκτρόδια και λάμβαναν χώρα στους λοβούς και των δύο ημισφαιρίων στους εγκεφάλους των ασθενών.

Οι ερευνητές έδωσαν στους εθελοντές μία άσκηση μνήμης και παρατήρησαν ότι τα κύματα που ταξιδεύουν στους πρόσθιους και κροταφικούς λοβούς οργανώθηκαν περισσότερο σε μισό δευτερόλεπτο από τη στιγμή που ζητήθηκε στους εθελοντές να χρησιμοποιήσουν τη μνήμη τους. Τα κύματα μεταβλήθηκαν και άρχισαν να κινούνται όλα προς την ίδια κατεύθυνση. Σημαντικότερα, ο βαθμός που έγινε αυτό παρουσίαζε διαφοροποίηση ανάλογα με την ταχύτητα που απάντησαν οι εθελοντές. «Πιο οργανωμένα κύματα συνδέονται με καλύτερη επίδοση στην κάθε άσκηση», είπε ο Jacob. «Αυτό μας προσφέρει ένα νέο τρόπο υπολογισμού της δραστηριότητας του εγκεφάλου που θα μας επιτρέπει να κατανοήσουμε καλύτερα τη γνωστικότητα».

Τα ευρήματα της παρούσας μελέτης τονίζουν ουσιαστικά ακόμα περισσότερο την σημασία των παραπάνω κυμάτων. «Η μελέτη αυτή προσφέρει σημαντικά δεδομένα στη έρευνα γύρω από τα κύματα που ταξιδεύουν στο φλοιό και προσθέτει περισσότερα στοιχεία σχετικά με το ρόλο τους στις γνωστικές λειτουργίες», είπε ο ψυχολόγος David Alexander που δεν είχε κάποια σχέση με τη μελέτη. «Προηγούμενες έρευνες έδειξαν επίσης ότι τα κύματα αυτά παράγονται κατά τη διάρκεια δραστηριοτήτων που απαιτούν μνήμη», συμπλήρωσε. Ο Alexander είχε δημοσιεύσει μία μελέτη το 2008 στην οποία παρατήρησε ότι, κατά τη διάρκεια μίας άκησης μνήμης σε ασθενείς με σχιζοφρένεια, λιγότερα κύματα κινούνται από το πρόσθιο προς το οπίσθιο μέρος του εγκεφάλου σε σχέση με υγιείς εθελοντές. Φαίνεται έτσι ότι οι διαφορές στα κύματα αυτά μπορεί να συνδέονται με ψυχιατρικά συμπτώματα.

Η επιβεβαίωση της σημαντικότητας των κυμάτων που ταξιδεύουν ανοίγει νέους δρόμους για τους νευροεπιστήμονες. «Η διαπιστωση ότι ένα τόσο μεγάλο εύρος ταλαντώσεων αποτελούν κύματα που ταξιδεύουν δείχνει ότι ουσιαστικά αυτά συντονίζουν τη δράση αρκετών περιοχών του εγκεφάλου», είπε ο Jacob. «Αυτό αποτελεί κλειδί για να ανοίξουν νέες περιοχές έρευνας, όπως η κατανόηση των συστατικών αυτού του συντονισμού»

Μία άλλη υπόθεση υποστηρίζει ότι τα κύματα που ταξιδεύουν ρυθμίζουν την ευαισθησία των νευρώνων με σκοπό να κατευθύνουν την προσοχή σε συγκεκριμένες περιοχές του εγκεφάλου. Το ενδιαφέρον για τα κύματα αυτά σίγουρα θα συνεχίσει να αυξάνεται  καθώς φαίνεται ότι παίζουν σημαντικότερο ρόλο απ’όσο πιστεύαμε μέχρι σήμερα.

Βιβλιογραφία: Scientific American

Πηγή Φωτογραφίας: Daniel Hjalmarsson στο Unsplash