В коре головного мозга найдены электрические волны, движущиеся не просто линейно, а закручивающиеся в спирали, расходящиеся кругами из точки или сходящиеся к центру. Форма этих волн менялась вместе с типом решаемой задачи: при работе с пространственной информацией волны чаще вращались, а при запоминании последовательностей букв образовывали концентрические структуры.

Под электрическими вихрями понимают не водоворот в голове, а ритмическое изменение активности нейронов в разных участках коры, достигающее пика в немного разное время. Если следить за этими колебаниями одновременно во многих точках, возникает движущийся паттерн. Бегущие волны известны давно, но обычно их представляли как фронт активности, движущийся в одном направлении. Новые данные показали куда более сложную картину: спирали по часовой стрелке и против неё, волны, расходящиеся от источника или сходящиеся к нему, и нерегулярные структуры. Один участок коры переключался между разными рисунками со временем.

Исследователи анализировали записи 24 пациентов с лекарственно устойчивой эпилепсией, которым электроды установили для лечения. Электроды лежали непосредственно на поверхности коры, что позволило видеть пространственное распределение активности гораздо подробнее, чем стандартная электроэнцефалография с датчиками на коже. Девять участников выполняли задачу на пространственную память в виртуальной среде, запоминая расположение предметов. Ещё 15 запоминали короткие последовательности букв и затем определяли, встречалась ли показанная буква в набранном ряду.

Волны двигались по коре со скоростью 0,3–3,3 м/с, отдельный паттерн сохранялся примерно 80–180 миллисекунд. Анализ охватывал колебания 5–26 Гц (тета-, альфа- и бета-ритмы). Важны были не только частота, но и направление, сила и геометрия движения.

При пространственной задаче вращающиеся волны встречались чаще. При запоминании букв доминировали концентрические структуры. Различие усиливалось при более внимательном анализе концентрических волн: в пространственной задаче 78% расходились наружу от центра, в словесной задаче 68% сходились к центру.

Авторы предполагают, что расходящиеся волны могут передавать информацию из одного участка сразу нескольким областям мозга. Пространственная память требует одновременно учитывать положение, ориентиры, направление и окружение, поэтому мозгу нужна связь между распределёнными системами. Задача на запоминание букв обходится более локальной обработкой. Это пока гипотеза, а не доказанный механизм.

Волны менялись и внутри одной задачи: при запоминании, навигации, извлечении информации и отвлекающих стимулах направление и сила волн различались. Алгоритм машинного обучения смог различать некоторые состояния памяти по характеристикам волн. Контрольные проверки показали, что результат нельзя объяснить только изменением частоты мозговых ритмов — различалась именно пространственная организация.

Работа развивает прежние наблюдения, где тета- и альфа-волны при успешном запоминании чаще распространялись в одном направлении, а при извлечении воспоминания направление менялось. Новые данные показывают, что прямолинейное движение — лишь часть картины: прежние наблюдения могли захватывать только фрагмент спирали или концентрической волны.

Почему геометрия имеет значение, неизвестно. Физические связи между нейронами относительно устойчивы и не перестраиваются в доли секунды. Электрическая активность меняет пространственный рисунок именно с такой скоростью. Исследователи предлагают рассматривать волны как способ быстро определять, какие группы нейронов будут работать согласованно в конкретный момент.

На мышах учёные также обнаружили вращающиеся волны, синхронизированные между полушариями и между сенсорными и двигательными областями. В сенсорной коре направление части аксонов образовывало сходную круговую структуру. Нарушение соответствующих нервных цепей ослабляло вращающиеся волны. На животных это не доказывает, что человеческий мозг использует тот же механизм для памяти, но показывает, что спиральные рисунки связаны с реальным устройством нейронных сетей.

Причинную роль волн в памяти учёные пока не установили. Одни нейробиологи видят в волнах механизм координации удалённых областей, другие рассматривают их как следствие согласованного возбуждения нейронов. Есть и техническое ограничение: электроды лежали только там, где требовались для лечения эпилепсии, поэтому запись охватывала отдельные участки коры, а не весь мозг одновременно.