Alfa a theta rytmy
Střední oscilace zahrnují vlny theta a alfa. Alfa rytmy o frekvenci 8 až 12 Hz byly poprvé pozorovány nad týlní kůrou, když byly lidské osoby uvolněné nebo měly zavřené oči. Nyní je však známo, že se vlny alfa a theta (4-7 Hz) podílejí na mnoha různých úkonech v bdělém stavu v mnoha částech mozku. V mnoha případech se zdá, že tyto vlny o frekvenci blízké 10 Hz koordinují rychlejší oscilace. Ve velmi širokém smyslu mohou vlny blízké 10 Hz fungovat jako rozšířené „systémové hodiny“ pro mnoho částí mozku. Je například známo, že vlny theta usnadňují kódování dočasných epizodických vzpomínek do dlouhodobé epizodické paměti. V motorické kůře byly zaznamenány rytmy podobné alfa, které se podílejí na inhibici plánovaných akcí. V čelním laloku se vlny podobné alfa podílejí na ukládání momentální paměti a někteří vědci zjistili, že v kognitivních procesech může hrát roli jak synchronizace, tak desynchronizace vln alfa. Ani hranice mezi vlnami theta a alfa není nutně jasná a někteří vědci se domnívají, že tyto vlny nejsou nutně stabilní ve svém konvenčním rozsahu.
Vědecká období rychlých objevů se často zdají být matoucí, dokud se neusadí v nějakém stabilním vzorci důkazů. Protože empirická věda je nepředvídatelná, nevíme v tuto chvíli, zda bude spektrum mozkových vln úhledně rozděleno do frekvenčních rozsahů, nebo zda se ukáže, že různá místa v mozku mají zcela odlišné oscilace.
Existuje však rozumná shoda v tom, že oscilace alfa/theta v blízkosti 10 Hz interagují s rychlejšími oscilacemi. Podle jednoho z návrhů se mozkové vlny podobají rádiovému spektru, přičemž „nosné frekvence“ jsou modulovány (amplitudou, jako u rádia AM) nebo frekvencí (FM). V případě rádiových vln generují vysílací stanice elektromagnetické záření na určitých ladicích frekvencích (jak je můžete vidět na svém AM nebo FM číselníku). Rozhlasové přijímače lze naladit na hlavní frekvence. Protože řeč a hudba zahrnují rychlejší oscilace, jsou „přenášeny“ standardními ladicími frekvencemi.
V případě mozku se předpokládá, že vlny theta někdy fungují jako nosné vlny a že jednotlivé neurony mohou ladit své vlastní vzorce vypalování vzhledem k nějaké rozšířené vlně theta (Canolty et al., 2006). Protože se jedná o otevřené otázky na vědeckých hranicích, jednoduše nevíme přesně, jak se v delším časovém horizontu ustálí.
V současné době nepanuje shoda ohledně rozsahu rychlejších oscilací, často nazývaných beta a gama. Byly zaznamenány funkční rytmy o frekvenci až 200 Hz a dokonce (krátce) 600 Hz. Protože se neustále objevují nové poznatky, je smysluplnější popisovat tři frekvenční rozsahy (viz obrázek 8.1). Mezi oscilace středního rozsahu patří klasické oscilace alfa a theta, které se blíží 10 Hz. Tempo nových poznatků je nyní tak rychlé, že můžeme očekávat mnohem větší objasnění těchto otázek.
V současné době byla pozorována řada frekvencí pro smyslové zpracování, zvýšení pozornosti na smyslové podněty a pracovní i dlouhodobou paměť. Synchronizace je přirozená a užitečná pro signalizaci v oscilačním systému, jakým je mozek. Někdy není možné dosáhnout dokonalé synchronizace, takže mezi vrcholem vlny na jednom místě (např. v hipokampu) a na jiném místě (např. v čelním laloku) je krátká časová prodleva. V těchto případech je vhodnější termín fázové uzamčení nebo fázová koherence, trochu jako synkopický rytmus „mimo rytmus“ v hudbě. Jedná se o synchronizaci s časovým zpožděním.
Individuální neurony mají časovou integrační dobu přibližně 10 ms, což je doba, kdy se dendritické vstupy mohou sčítat, aby se zvýšila pravděpodobnost jednoho axonálního výstupního spiku (viz kapitola 3). Skupina vzájemně propojených neuronů může vzájemně posílit frekvenci výpalu mezi 30 a 100 Hz tím, že dodá synaptické vstupy v rámci okna 10 ms. To znamená, že skupina neuronů, která je vzájemně propojena, může posílit frekvenci výpalu mezi 30 a 100 Hz. Pokud si například dva excitační neurony navzájem vysílají signály o frekvenci 50 Hz, je možné udržovat excitační zpětnovazební smyčku, protože sbližující se signály mohou přicházet v kritickém období 10 ms. V takovém případě je možné udržovat zpětnovazební smyčku. Avšak rychlost vypalování neuronů nižší než 30 Hz nemusí být cílovými neurony integrována, protože různé hroty mohou dorazit příliš pozdě na to, aby měly aditivní účinky. Proto se předpokládá, že skupina neuronů pálících v pásmu beta-gama bude působit silněji na navazující neurony než neurony s nižšími frekvencemi. Je zřejmé, že skutečné mozkové sítě jsou složitější a obsahují inhibiční i excitační prvky. Nicméně tyto základní body platí pro neurony obecně a získaly značnou přímou empirickou podporu.
Rádiový přenos má některé podobnosti s oscilační synchronizací v mozku. Existence AM a FM rádia naznačuje přinejmenším dva způsoby, jakými mohou mozkové rytmy zpracovávat informace v mozku. Existuje však mnohem více kódovacích schémat. Mozkové rytmy mohou sloužit jako hodiny a mohou používat jednotlivé impulsy nebo série impulsů jako Morseova abeceda. Různé neurony mohou používat signály různými způsoby, možná v kombinaci s různými molekulami a synapsemi.
Televize je příkladem časoprostorového kódu, v němž vysílaný signál skenuje každý řádek obrazovky shora dolů. Počítačové obrazovky používají podobné časoprostorové kódování. Mozkové rytmy pravděpodobně také koordinují visuotopické mapy, somatotopické mapy a motorické mapy. Jak jsme již zmínili, mozek je bohatý na topografické mapy, které představují pole senzorických vstupů nebo neuromuskulární mapy na různých úrovních abstrakce (viz kapitola 5).
Evoluce využívala rytmické vlastnosti neuronů po stovky milionů let. Z tohoto důvodu bychom neměli očekávat, že nalezneme pouze jediný neuronový kód. Víme však, že mozkové rytmy jsou velmi rozšířené a že jsou spojeny se známými funkcemi.
Nakonec, vlny se mohou také vzájemně rušit. Když vedle počítače umístíte rádiový přijímač, uslyšíte výbuch šumu, kdykoli stisknete klávesnici. To proto, že každé stisknutí klávesy vyvolá elektromagnetický signál, který se vyzařuje do okolního prostoru. Interference vln je základním jevem ve fyzice záření. Interference může mít v mozku důležité využití, ale může také zhoršovat zpracování nervových informací. Teprve začínáme chápat roli mozkových rytmů, ale je pravděpodobné, že se ukáže, že vlnová interference má také své účinky.
.