Nowe narzędzia, które pokazują w czasie rzeczywistym, jak fale charakterystyczne dla neuronów przemieszczają się w mózgach myszy, mogą pomóc w zrozumieniu chorób, takich jak epilepsja i choroba Alzheimera oraz otworzyć nowe możliwości dla rozwoju neuronauki i sztucznej inteligencji.
Mark J. Schnitzer (fot. Harrison Truong/Uniwersytet Stanforda)
Aktywność elektryczną mózgu można porównać do fal na wodzie. Ruch tych „fal mózgowych”, zaobserwowany po raz pierwszy w latach 20. XX wieku, można teraz zobaczyć wyraźniej niż kiedykolwiek wcześniej dzięki instrumentom i technikom opracowanym przez zespół z Uniwersytetu Stanforda.
Technologia opisana w renomowanym czasopiśmie Cell wykorzystuje dwa ultrasensytywne instrumenty optyczne, które mogą wykrywać sygnały genetycznie zmodyfikowanych białek, znanych jako „wskaźniki napięcia”, ujawniając aktywność fal mózgowych myszy. Chociaż metoda ogranicza się na razie do zwierząt laboratoryjnych, już wykazała swój potencjał. Za pomocą wspomnianych instrumentów optycznych naukowcy odkryli trzy nowe rodzaje fal mózgowych poruszających się w sposób nigdy wcześniej nieobserwowany.
– Otrzymujemy bardzo szeroki obraz fal rozprzestrzeniających się w mózgu – powiedział Mark J. Schnitzer, główny autor, profesor biologii i fizyki stosowanej w School of Humanities and Sciences Uniwersytetu Stanforda. Możemy obserwować wiele obszarów mózgu jednocześnie i widzieć fale mózgowe przemieszczające się po korze, czyli najbardziej zewnętrznej warstwie tkanki nerwowej mózgu, z uwzględnieniem specyfiki poszczególnych typów komórek.
W przeciwieństwie do elektrod, które wykorzystują prąd elektryczny do wykrywania poszczególnych punktów aktywności mózgu, urządzenia opracowane przez zespół Schnitzera wykorzystują optykę, technologię opartą na świetle, do obrazowania fal mózgowych w czasie rzeczywistym. Mogą one również skupiać się na falach związanych z jednym lub dwoma konkretnymi typami neuronów.
Naukowcy próbują zrozumieć fale mózgowe od momentu ich odkrycia u ludzi ponad sto lat temu przez niemieckiego lekarza Hansa Bergera, który używał elektrod we wczesnej wersji EEG (elektroencefalogramu).
Obecnie naukowcy wiedzą, że nieprawidłowości w tych falach są związane z różnymi formami chorób, w tym chorobą Parkinsona, chorobą Alzheimera, epilepsją i schizofrenią. Trudno jest jednak rozróżnić, które typy neuronów generują poszczególne rodzaje fal.
Najnowsze odkrycie może pomóc w rozwiązaniu tej kwestii. Wynika ono z ponad dziesięciu lat prac nad technikami optycznymi o nazwie TEMPO, po raz pierwszy opisanymi w artykule opublikowanym w 2016 r. przez zespół, w skład którego wchodził Schnitzer, który jest również profesorem neurochirurgii w Stanford School of Medicine, oraz Michael Z. Lin, profesor neurobiologii i bioinżynierii w School of Medicine. Lin jest również współautorem obecnego badania.
Link do filmu: https://news.stanford.edu/stories/2025/07/new-tech-imaging-brain-waves-could-advance-disease-research-ai
W niniejszym badaniu naukowcy wykazali zastosowanie dwóch nowych, uzupełniających się instrumentów TEMPO: czujnika światłowodowego, który jest 10 razy bardziej czuły niż poprzednie wersje i może śledzić aktywność elektryczną w mózgach myszy podczas wykonywania przez nie normalnych czynności; oraz mezoskop optyczny, który może dostarczyć obraz mózgu o szerokości 8 mm i pokazać aktywność neuronową w większości kory nowej mózgu myszy, warstwie mózgu odpowiedzialnej za funkcje wyższego rzędu, takie jak percepcja i poznanie.
Dzięki tej technologii naukowcy byli w stanie zaobserwować kilka fal, które nigdy wcześniej nie zostały zarejestrowane, w tym dwa rodzaje fal beta – fale o wyższej częstotliwości związane z czujną aktywnością umysłową – które poruszają się pod kątem prostym względem siebie.
Odkryli również falę theta – falę o niższej częstotliwości związaną z przetwarzaniem pamięci – która przemieszczała się nie tylko w jednym kierunku, jak wcześniej sądzono, ale również wstecz.
Chociaż nie wiadomo jeszcze, co może oznaczać ta nowa fala kierunkowa, jedna z teorii głosi, że fala theta może „propagować się wstecz”, podobnie jak mechanizm uczenia się stosowany w modelach sztucznej inteligencji.
–Wygląda na to, że mózg ma wewnętrzny zegar, który synchronizuje aktywność neuronów, ale te fale mogą też aktywnie reorganizować obwody neuronowe na dużych odległościach, wykraczając poza lokalne połączenia – powiedział współautor badania absolwent Uniwersytetu Warszawskiego, Radosław Chrapkiewicz, dyrektor ds. inżynierii w laboratorium Schnitzera. Może to odegrać ważną rolę w dalszym rozwoju modeli sztucznej inteligencji inspirowanych biologią.
Konieczne są dalsze badania, aby zrozumieć implikacje tych odkryć, ale nowa technologia prawdopodobnie otworzy wiele możliwości dla neuronauki, a także rozwoju sztucznej inteligencji.
– W dziedzinie neuronauki istnieje wiele bardzo ważnych zastosowań pozwalających zrozumieć patologię i różne dynamiki zachodzące w mózgu – powiedział Simon Haziza, naukowiec ze Stanford i główny autor badania. To dopiero początek – dodał.
Artykuł „Imaging High-Frequency Voltage Dynamics in Multiple Neuron Classes of Behaving Mammals” został właśnie opublikowany online w „Cell” (DOI: https://doi.org/10.1016/j.cell.2025.06.028) i ukaże się jako artykuł wiodący (okładkowy) w wydaniu drukowanym dostępnym 7 sierpnia 2025.
Źródło: Stanford School of Humanities and Sciences.
