Alpha- och thetarytmer

Midrange oscillationer inkluderar theta- och alfavågor. Alfa rytmer på 8 till 12 Hz observerades först över den occipitala cortexen när mänskliga försökspersoner var avslappnade eller stängde ögonen. Man vet dock nu att alfa och theta (4-7 Hz) är inblandade i många olika vakna uppgifter i många delar av hjärnan. I många fall verkar dessa nära 10 Hz-vågor samordna snabbare svängningar. I en mycket bred bemärkelse kan nära-10 Hz-vågor fungera som en utbredd ”systemklocka” för många delar av hjärnan. Det är till exempel känt att thetavågor underlättar inkodning av tillfälliga episodiska minnen till långsiktigt episodiskt minne. I den motoriska hjärnbarken har alfa-liknande rytmer rapporterats vara inblandade i inhiberingen av planerade handlingar. I frontalloben är alfa-liknande vågor involverade i tillfällig minneslagring, och vissa forskare anser att både synkronitet och desynkronitet av alfavågor kan spela en roll i kognitiva processer. Inte ens gränsen mellan theta och alfa är nödvändigtvis klar, och vissa forskare anser att dessa vågor inte nödvändigtvis är stabila i sitt konventionella intervall.

Vetenskapliga perioder av snabba upptäckter verkar ofta förvirrande tills de slår sig till ro i något stabilt mönster av bevis. Eftersom empirisk vetenskap är oförutsägbar vet vi för närvarande inte om hjärnvågsspektrumet kommer att delas upp snyggt i frekvensområden eller om olika platser i hjärnan kommer att visa sig ha helt olika svängningar.

Det finns dock en rimlig enighet om att alfa/thetasvängningar nära 10 Hz interagerar med snabbare svängningar. Ett förslag är att hjärnvågorna liknar radiospektrumet, med ”bärfrekvenser” som moduleras (med amplitud, som i AM-radio) eller med frekvens (FM). När det gäller radiovågor genererar radiostationer elektromagnetisk strålning vid specifika inställningsfrekvenser (som du kan se på din AM- eller FM-skiva). Radiomottagare kan ställas in på de viktigaste frekvenserna. Eftersom tal och musik innefattar snabbare svängningar ”transporteras” dessa av de vanliga avstämningsfrekvenserna.

I fallet med hjärnan tror man att thetavågor ibland fungerar som bärande vågor och att enskilda neuroner kan ställa in sina egna avfyrningsmönster i förhållande till en utbredd thetavåg (Canolty et al., 2006). Eftersom detta är öppna frågor vid de vetenskapliga gränserna vet vi helt enkelt inte exakt hur de kommer att lösa sig på längre sikt.

Det finns för närvarande ingen överenskommelse om omfattningen av snabbare svängningar, som ofta kallas beta och gamma. Funktionella rytmer har rapporterats upp till 200 Hz och till och med (kortvarigt) 600 Hz. Eftersom nya rön ständigt dyker upp är det vettigare att beskriva tre frekvensområden (se figur 8.1). Oscillationer i mellanområdet omfattar klassisk alfa och theta, nära 10 Hz. Takten på nya rön är nu så snabb att vi kan förvänta oss ett mycket större klargörande av dessa frågor.

En rad frekvenser har nu observerats för sensorisk bearbetning, uppmärksamhetsförbättring av sensorisk input och både arbets- och långtidsminnet. Synkronitet är både naturligt och användbart för signalering i ett oscillerande system som hjärnan. Ibland går det inte att uppnå perfekt synkronitet, så det finns en kort tidsfördröjning mellan vågens topp på ett ställe (t.ex. hippocampus) och ett annat ställe (t.ex. frontalloben). I dessa fall är den bättre termen faslåsning eller faskoherens, lite som en synkoperad ”off-beat”-rytm i musiken. Det är synkronisering med en tidsförskjutning.

Individuella neuroner har en temporal integrationstid på cirka 10 ms, den period då dendritiska inmatningar kan adderas för att öka sannolikheten för en enskild axonal utgångsspik (se kapitel 3). En grupp sammankopplade neuroner kan förstärka varandras tändfrekvenser mellan 30 och 100 Hz genom att tillföra synaptiska ingångar inom 10 ms-fönstret. Om två excitatoriska neuroner signalerar till varandra med en frekvens på 50 Hz, till exempel, är det möjligt att upprätthålla en excitatorisk återkopplingsslinga, eftersom konvergerande signaler kan anlända inom den kritiska 10 ms-perioden. Neuronala avfyrningsfrekvenser under 30 Hz kan dock inte integreras av målneuronerna, eftersom olika spikar kan komma för sent för att ha additiva effekter. Man tror därför att en grupp neuroner som avfyrar i beta-gamma-området kommer att utöva en starkare drivkraft på neuronerna nedströms än lägre frekvenser. De verkliga hjärnnätverken är naturligtvis mer komplexa och har både inhiberande och excitatoriska element. Icke desto mindre gäller dessa grundläggande punkter för neuroner i allmänhet och har fått en hel del direkt empiriskt stöd.

Radioöverföring har vissa likheter med oscillatorisk synkronisering i hjärnan. Förekomsten av AM- och FM-radio tyder på åtminstone två sätt som hjärnans rytmer kan bearbeta information i hjärnan. Men det finns många fler kodningsmetoder. Hjärnerytmer skulle kunna fungera som klockor, och de kan använda enstaka pulser eller en serie pulser som morsekod. Olika neuroner kan använda signaler på olika sätt, kanske i kombination med olika molekyler och synapser.

Television är ett exempel på en spatiotemporal kod, där sändningssignalen skannar över varje rad på skärmen från toppen till botten. På datorskärmar används en liknande spatiotemporal kodning. Det är också troligt att hjärnrytmer samordnar visuotopiska kartor, somatotopiska kartor och motoriska kartor. Som vi har nämnt är hjärnan rik på topografiska kartor, som representerar sensoriska inmatningsmatriser eller neuromuskulära kartor på olika abstraktionsnivåer (se kapitel 5).

Evolutionen har utnyttjat neuronernas rytmiska egenskaper under hundratals miljoner år. Av den anledningen bör vi inte förvänta oss att hitta endast en enda neuronal kod. Vad vi vet är att hjärnans rytmer är mycket utbredda och att de är förknippade med kända funktioner.

För det sista kan vågor också interferera med varandra. När du placerar en radiomottagare bredvid en dator kommer du att höra ett brus när du trycker på tangentbordet. Det beror på att varje tangenttryckning utlöser en elektromagnetisk signal som strålar ut i det omgivande rummet. Våginterferens är ett grundläggande fenomen inom strålningsfysiken. Interferens kan ha viktiga användningsområden i hjärnan, men den kan också försämra den neurala informationsbehandlingen. Vi har bara börjat förstå den roll som hjärnans rytmer spelar, men det är troligt att våginterferens kommer att visa sig ha effekter också.