Новое захватывающее нейробиологическое исследование показывает, что мозг излучает свет через череп.

Новое исследование, опубликованное в журнале iScience, предоставляет доказательства того, что человеческий мозг излучает чрезвычайно слабые световые сигналы, которые не только проходят сквозь череп, но и, по-видимому, изменяются в ответ на психическое состояние. Исследователи обнаружили, что эти сверхслабые световые излучения можно зафиксировать в полной темноте, и они, по-видимому, изменяются в ответ на простые задачи, такие как закрытие глаз или прослушивание звука. Полученные результаты предполагают, что этот слабый свет мозга может нести информацию о мозговой активности, что, возможно, откроет путь к новому способу изучения мозга (фотоэнцефалография).

Все живые ткани в процессе нормального метаболизма испускают мельчайшие количества света, известные как сверхслабые фотонные излучения. Это происходит, когда возбужденные молекулы возвращаются в состояние с более низкой энергией и при этом испускают фотон. 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 в себя специфические химические реакции, подобные тем, которые используют светлячки, сверхслабые фотонные излучения происходят постоянно во всех тканях, без специальных ферментов или светящихся соединений.

Мозг излучает больше этого слабого света, чем большинство других органов, из-за высокого энергопотребления и высокой концентрации фотоактивных молекул. К ним относятся такие соединения, как флавины, серотонин и белки, способные поглощать и излучать свет. Интенсивность излучения фотонов также, по-видимому, возрастает при окислительном стрессе и старении и может отражать изменения в состоянии клеток или клеточной коммуникации.

Исследовательская группа под руководством Хейли Кейси, Нироши Муруган и их коллег из Университета Алгомы, Университета Тафтса и Университета Уилфрида Лориера хотела выяснить, можно ли использовать эти слабые световые излучения для мониторинга активности мозга. В отличие от других методов визуализации, требующих стимуляции, таких как сильные магнитные поля или инфракрасный свет, измерение слабых световых излучений является полностью пассивным. Это означает, что оно не вносит ничего нового в мозг.

Исследователи предположили, что UPE могут предложить новый способ безопасного и бесперебойного мониторинга функций мозга, подобно тому, как ЭЭГ отслеживает электрические волны мозга без приложения энергии. Они также хотели проверить, отражают ли UPE такие психические состояния, как отдых с закрытыми глазами или реакция на звук, и соответствуют ли эти сигналы известным изменениям электрических ритмов мозга.

Исследователи набрали 20 здоровых взрослых участников и измерили как UPE (угловые потенциалы головного мозга), так и электрическую активность мозга, пока участники находились в темной комнате. Установка включала фотоумножители, расположенные вблизи затылочной и височной областей головы, где мозг обрабатывает визуальную и слуховую информацию. Третий датчик регистрировал фоновый свет. Одновременно участники носили шапочку с электроэнцефалографическими датчиками для регистрации электрических ритмов мозга.

Участники прошли десятиминутную сессию записи, включавшую пять условий. Сначала они сидели с открытыми глазами, а затем с закрытыми. Далее они слушали простой повторяющийся слуховой стимул, затем следовал еще один период с закрытыми глазами, и, наконец, еще один период с открытыми глазами. Цель заключалась в том, чтобы выяснить, реагируют ли мозговые UPE на известные манипуляции мозговой активностью, в частности, на изменение альфа-ритмов, которое происходит, когда люди закрывают глаза.

Фотонное излучение регистрировалось с короткими интервалами времени и анализировалось на предмет изменчивости, частотного состава и стабильности во времени. Группа исследователей сравнила результаты с фоновыми сигналами и изучила 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. Ультразвуковые импульсы мозга демонстрировали большую энтропию и более динамичный сигнал, чем фоновые записи. Эти излучения также имели характерный частотный профиль ниже 1 Гц, что означает, что свет колебался в медленных ритмичных паттернах примерно раз в одну-десять секунд. Эта особенность отсутствовала в фоновом свете и была особенно выражена в затылочной области.

Исследователи также заметили, что мозговые UPE-сигналы, по-видимому, достигали стабильного состояния во время выполнения каждого задания, особенно к концу двухминутных сегментов записи. Эти стабильные паттерны менялись, когда участники переходили из состояния с открытыми глазами в состояние с закрытыми глазами, что позволяет предположить, что эти сигналы отражают изменения внутреннего состояния мозга. Однако направление изменений не было одинаковым для всех участников, что, возможно, отражает индивидуальные различия или сложность лежащих в основе метаболических процессов.

Когда исследователи сравнили UPE с электрическими ритмами мозга, они обнаружили умеренные корреляции. Например, альфа-ритмы — часто ассоциируемые с расслабленным бодрствованием и усиливающиеся в состоянии с закрытыми глазами — коррелировали с излучением фотонов из затылочной области, но только когда глаза участников были закрыты. Они также обнаружили некоторые связи между изменчивостью UPE и ритмами височной доли во время слуховой стимуляции. Тем не менее, взаимосвязи не были сильными, и многие ожидаемые корреляции не проявились, что подчеркивает необходимость дальнейших исследований.

Хотя полученные результаты многообещающие, авторы предупреждают, что это было предварительное исследование с рядом ограничений. Размер выборки был небольшим, а записывающее оборудование охватывало лишь несколько областей головы. Датчики также регистрировали широкий диапазон длин волн, что могло исказить более специфические световые паттерны. Более точные фильтры или детекторы могли бы помочь выявить специфические сигнатуры длин волн, связанные с различными функциями мозга.

Исследователи также предполагают, что расширение массива датчиков может улучшить пространственное разрешение и помочь определить источники УФЭ в головном мозге. Поскольку эти излучения связаны с метаболической активностью, они могут исходить от различных типов клеток, включая нейроны и глиальные клетки, и с разной глубины в головном мозге. Разработка методов локализации этих сигналов станет важным следующим шагом.

В исследовании не были учтены измерения в других частях тела, что могло бы помочь уточнить, происходят ли аналогичные световые излучения в тканях, не относящихся к мозгу, и чем они отличаются. Включение большего числа участников и изучение вариаций в зависимости от возраста, пола или состояния здоровья также может выявить значимые закономерности. В будущем машинное обучение и передовые методы визуализации могут позволить исследователям расшифровывать паттерны UPE и использовать их для выявления заболеваний головного мозга или мониторинга состояния здоровья мозга.

«Мы рассматриваем полученные результаты как демонстрацию концепции, показывающую, что паттерны сигналов UPE, исходящих из человеческого мозга, можно отличить от фоновых световых сигналов в условиях недостаточной освещенности, несмотря на очень низкую относительную интенсивность сигнала», — написали исследователи. «Фотоэнцефалография будет максимально неинвазивной (т.е. пассивной записью) с высоким временным разрешением, как ЭЭГ или МЭГ; однако измерение UPE будет связано с окислительным метаболизмом, и ряд клинических применений описан в других работах. В будущих исследованиях может быть достигнут успех в использовании отдельных фильтров и усилителей для фильтрации и усиления характеристик сигналов UPE из здорового и больного мозга».

Исследование под названием «Изучение сверхслабых фотонных излучений как оптических маркеров активности мозга» было проведено Хейли Кейси, Изабеллой ДиБернардино, Маттиа Бонзанни, Николасом Руло и Нирошей Дж. Муруган.
26 июля 2025 г.

Отредактировано koshka (27.03.2026 12:50)