"Новое исследование, опубликованное в журнале iScience, свидетельствует о том, что человеческий мозг испускает крайне слабые световые сигналы, которые не только проходят сквозь череп, но и, по-видимому, меняются в зависимости от психического состояния.

Исследователи обнаружили, что эти сверхслабые световые сигналы можно регистрировать в полной темноте, и они, по-видимому, меняются в ответ на простые действия, такие как закрытие глаз или прослушивание звука. Результаты исследования предполагают, что этот слабый свет мозга может нести информацию о его активности, что, возможно, открывает путь к новому способу изучения мозга (фотоэнцефалографии).
Все живые ткани испускают крошечные количества света в процессе нормального метаболизма, известные как сверхслабое фотонное излучение. Это происходит, когда возбуждённые молекулы возвращаются в более низкое энергетическое состояние и испускают фотон. Этот свет невероятно слабый — примерно в миллион раз слабее того, что мы можем видеть, — и находится в видимом и ближнем инфракрасном диапазоне.
В отличие от биолюминесценции, которая включает специфические химические реакции, подобные тем, что используют светлячки, сверхслабое фотонное излучение происходит постоянно во всех тканях без участия специальных ферментов или светящихся соединений.
Мозг излучает больше этого слабого света, чем большинство других органов, благодаря высокому энергопотреблению и высокой концентрации фотоактивных молекул. К ним относятся такие соединения, как флавины, серотонин и белки, способные поглощать и излучать свет.
Скорость испускания фотонов, по-видимому, также увеличивается при окислительном стрессе и старении и может отражать изменения в состоянии здоровья или коммуникации клеток.
Исследовательская группа под руководством Хейли Кейси, Нироши Муругана и их коллег из Университета Алгомы, Университета Тафтса и Университета Уилфрида Лорье хотела выяснить, можно ли использовать это слабое световое излучение для мониторинга активности мозга.
В отличие от других методов визуализации, требующих стимуляции, например, сильных магнитных полей или инфракрасного света, измерение UPE происходит полностью пассивно. Это означает, что оно не вносит никаких изменений в работу мозга.
Исследователи предположили, что UPE могут стать новым способом безопасного и бесперебойного мониторинга функций мозга, подобно тому, как ЭЭГ отслеживает электрические волны мозга без подачи энергии.
Они также хотели проверить, отражают ли UPE психические состояния, такие как отдых с закрытыми глазами или реакция на звук, и соответствуют ли эти сигналы известным изменениям электрических ритмов мозга.
Исследователи отобрали 20 здоровых взрослых участников и измеряли как НПВ, так и электрическую активность мозга, пока участники находились в темной комнате. Установка включала фотоэлектронные умножители, размещенные вблизи затылочной и височной областей головы, где мозг обрабатывает зрительную и слуховую информацию. Третий датчик регистрировал фоновый свет.
Одновременно участники носили шапочку с электроэнцефалографическими датчиками для регистрации электрических ритмов мозга.
Участники прошли десятиминутный сеанс записи, включавший пять условий. Сначала они сидели с открытыми глазами, затем с закрытыми. Затем они слушали простой повторяющийся звуковой стимул, затем снова сидели с закрытыми глазами и, наконец, снова сидели с открытыми глазами.
Целью было выяснить, реагируют ли НПВ мозга на известные манипуляции с активностью мозга, в частности, на сдвиг альфа-ритмов, происходящий при закрытии глаз.
Фотонное излучение регистрировалось в короткие промежутки времени и анализировалось на предмет изменчивости, частотного состава и стабильности во времени. Исследователи сравнили результаты с фоновыми сигналами и изучили корреляции с электрическими ритмами мозга, зарегистрированными в то же время.
Исследователи обнаружили, что свет, излучаемый мозгом, можно отличить от фонового света по его изменчивости и сложности. В электронно-оптических импульсах мозга наблюдалась более высокая энтропия и более динамичный сигнал, чем в фоновых записях.
Эти импульсы также имели характерный частотный профиль ниже 1 Гц, что означает, что свет колебался в медленных ритмических паттернах примерно каждые 1–10 секунд. Эта сигнатура отсутствовала в фоновом свете и была особенно выражена в затылочной области.
Исследователи также отметили, что активность нейронов мозга, по-видимому, достигала устойчивого состояния во время каждой задачи, особенно к концу двухминутных фрагментов записи.
Эти стабильные паттерны смещались, когда участники переходили из состояния с открытыми глазами в состояние с закрытыми, что позволяет предположить, что эти выбросы отражают изменения во внутреннем состоянии мозга. Однако направление изменений было разным у всех участников, что, возможно, отражает индивидуальные различия или сложность базовых метаболических процессов.
Сравнив UPE с электрическими ритмами мозга, исследователи обнаружили умеренные корреляции. Например, альфа-ритмы, часто связанные с расслабленным бодрствованием и усиливающиеся в состоянии с закрытыми глазами, коррелировали с испусканием фотонов из затылочной области, но только когда глаза участников были закрыты.
Они также обнаружили некоторую связь между изменчивостью UPE и ритмами височных долей во время слуховой стимуляции. Тем не менее, эти связи оказались несильными, и многие ожидаемые корреляции не были выявлены, что указывает на необходимость дальнейших исследований.
Хотя результаты обнадёживают, авторы предупреждают, что это предварительное исследование с рядом ограничений. Размер выборки был небольшим, а регистрирующее оборудование охватывало лишь несколько участков головы. Датчики также регистрировали широкий диапазон длин волн, что могло скрывать более определённые световые паттерны.
Более точные фильтры или детекторы могли бы помочь выявить специфические для определённых длин волн сигнатуры, связанные с различными функциями мозга.
Исследователи также предполагают, что расширение массива датчиков может улучшить пространственное разрешение и помочь определить источники UPE в мозге.
Поскольку эти сигналы связаны с метаболической активностью, они могут исходить от различных типов клеток, включая нейроны и глиальные клетки, и из разных глубин мозга. Разработка методов локализации этих сигналов станет важным следующим шагом.
Исследование не включало измерения, полученные в других частях тела, которые могли бы помочь выяснить, происходит ли аналогичное свечение в тканях, не относящихся к мозгу, и чем оно отличается. Расширение круга участников и изучение различий в зависимости от возраста, пола и состояния здоровья также может выявить значимые закономерности.
В будущем машинное обучение и передовые методы визуализации могут позволить исследователям расшифровывать паттерны ВПЭ и использовать их для выявления заболеваний мозга или мониторинга его здоровья.
«Мы рассматриваем текущие результаты как подтверждение концепции того, что паттерны сигналов UPE, получаемых от человеческого мозга, можно отличить от сигналов фонового света в затемнённых условиях, несмотря на очень низкую относительную интенсивность сигнала», — пишут исследователи.
«Фотоэнцефалография будет максимально неинвазивной (т.е. пассивной) с высоким временным разрешением, как ЭЭГ или МЭГ; однако измерение UPE будет связано с окислительным метаболизмом и имеет ряд клинических применений, описанных ранее. В будущих исследованиях, возможно, удастся использовать специальные фильтры и усилители для фильтрации и усиления характеристик сигналов UPE, получаемых от здорового и больного мозга».
Авторами исследования «Изучение сверхслабых фотонных излучений как оптических маркеров активности мозга» являются Хейли Кейси, Изабелла ДиБерардино, Маттиа Бонзанни, Николя Руло и Нироша Дж. Муруган"