Исследование Northwestern Medicine помогает врачам лучше понять, какие части мозга отвечают за речь. Это может улучшить речевые функции пациентов после операции. Исследование также раскрывает, как язык представлен в мозге, и определяет ключевые особенности участков коры головного мозга, участвующих в формировании речи.

Учёные обнаружили участок в мозге человека, который, как связующее звено, объединяет множество языковых подсетей. Люди не знали бы друг друга без него. Аналогичную функцию «коннекторы» выполняют и в мозге: они объединяют языковые подсети. После операции по удалению соединительных участков, пациент будет делать больше ошибок, например, затрудняться называть предметы, потому что подсети не смогут сотрудничать.

Исследование опубликовано в журнале Nature Communications.

Сигналы мозга пациентов с опухолями мозга и эпилепсией

Учёные из Северо-Западного университета обнаружили важные участки языкового коннектора. Они записали электрические сигналы из мозга пациентов с эпилепсией или опухолями во время чтения ими слов вслух. Затем исследователи проанализировали эти сигналы с помощью методов теории графов и машинного обучения, чтобы определить критические участки в сети.

Это открытие может помочь врачам более точно и эффективно картировать языковые участки перед операцией. Это также может расширить возможности хирургов и сократить время, необходимое для стимуляции, или даже отказаться от неё и просто записывать электрические сигналы.

Пациентам с опухолями мозга или эпилепсией, которым нужна операция, проводят функциональное картирование. Во время этой процедуры используется прямая электростимуляция мозга. Это помогает определить важные участки в коре головного мозга, которые нельзя удалять во время операции, чтобы сохранить речь. Воздействие на определённые области временно нарушает способность говорить и называть предметы.

Нынешняя техника стимуляции имеет ограничения

Методика стимуляции не менялась уже более 50 лет, но до сих пор плохо изучено, что происходит во время неё.

Неизвестно, чем особенны участки мозга, которые определяют как критические для речи при стимуляции. Если понять это, мы сможем узнать, как электрическая стимуляция влияет на мозг и как мозг говорит.

1,2 миллиона человек в США живут с опухолями мозга

Пациентам с опухолями мозга во время операции стимулируют мозг от 20 до 60 минут, пока они в сознании. Этот метод не всегда помогает точно определить расположение речевых зон мозга: результаты могут быть ошибочными, а сама процедура может вызвать судороги.

Это тяжело для пациента, — говорит Слуцки.

Если мы делаем это для пациентов с эпилепсией, картирование может занять день или даже два, и это очень утомительно.

По словам Слуцки, если лекарства не помогают контролировать приступы, пациентам с эпилепсией может потребоваться операция на мозге.

Как проходило исследование

У 16 пациентов с эпилепсией или опухолями мозга регистрировали электрические сигналы с поверхности коры головного мозга. Пациентам с эпилепсией перед операцией имплантировали электродные массивы для мониторинга приступов. А пациентам с опухолями проводили операцию на мозге и картирование в сознании, временно размещая электроды на мозге.

Пациенты читали слова с монитора, а исследователи записывали сигналы их мозга. Затем учёные проанализировали эти сигналы с помощью теории графов — раздела математики о сетях. Эту же теорию применяют для анализа социальных сетей, на которых работают многие поисковые системы в интернете.

Сетевые метрики показывают, насколько каждый сайт связан с соседними, со всеми или с сообществами внутри сети. Учёные использовали машинное обучение, чтобы предсказать, какие сайты являются критическими, опираясь только на сетевые метрики. Как правило, это были сайты, которые соединяли разные сообщества.