Биологическая роль локальной и глобальной вариабельности сигнала BOLD в многоуровневой организации человеческого мозга

Почему небольшие изменения активности мозга важны

Наш мозг никогда по-настоящему не отдыхает. Даже когда мы сидим спокойно, активность мозга непрерывно возрастает и снижается из момента в момент. В течение многих лет многие исследователи считали эти флуктуации случайным «шумом», который следует усреднять. В этом исследовании поставлен простой, но важный вопрос: а что если этот кажущийся шум на самом деле является осмысленным сигналом, который рассказывает нам о том, как устроен мозг и как он сохраняет гибкость на протяжении жизни? Изучая крошечные подъёмы и падения в сканах мозга, авторы показывают, что эта вариабельность — ключевая черта здорового функционирования мозга, а не дефект.

Внимание к мгновенным флюктуациям мозга

Исследователи сосредоточились на распространённом методе нейровизуализации — функциональной МРТ (fMRI), которая отслеживает изменения уровня кислородосодержания крови как косвенный показатель нейрональной активности. Вместо того чтобы усреднять эти сигналы во времени, они измеряли, насколько сигнал меняется от одного временного шага к другому в каждой области мозга. Это назвали «локальной вариабельностью» и зафиксировали с помощью простого математического показателя изменений момент к моменту. Они также изучали «глобальную вариабельность» — насколько шаблоны коммуникации между областями, или функциональные связи, изменяются со временем. Для этого использовали метод, суммирующий, как паттерны связности всего мозга дрейфуют и реорганизуются во время сканирования, присваивая каждой области оценку её гибкости связей.

Проверка: реальная вариабельность или артефакт сканера

Чтобы убедиться, что они не измеряют просто случайные артефакты сканера, команда проанализировала несколько больших общедоступных наборов данных. В них вошли молодые взрослые, сканированные с разными параметрами fMRI, а также люди, охватывающие весь взрослый возрастной диапазон. Они показали, что меры глобальной вариабельности высоко надёжны: у отдельных людей наблюдались похожие паттерны в повторных сканах, а ключевые результаты сохранялись при разных протоколах сканирования. И локальная, и глобальная вариабельность менялись с возрастом в соответствии с предыдущими работами: у пожилых людей динамический диапазон, как правило, был сниженным, то есть их активность и связи флуктуировали меньше со временем. Эти находки свидетельствуют о том, что вариабельность отражает устойчивые, биологически обусловленные особенности, а не шум измерения.

Связь флюктуаций с клетками, химией и метаболизмом

Далее авторы выясняли, как эти паттерны вариабельности соотносятся с известной анатомией и химией мозга. Они сопоставили fMRI-вариабельность с детальными атласами, построенными по посмертным образцам ткани, высокоразрешающей МРТ микроархитектуры, экспрессии генов и ПЭТ‑сканам рецепторов нейромедиаторов и показателей метаболизма. Локальная вариабельность была наибольшей в сенсорных областях, которые имеют выраженный входной слой и плотные, разнообразные популяции клеток. Эти области также характеризовались интенсивным кровотоком и высоким потреблением энергии, что указывает на то, что быстрое и богатое обработывание входящей информации сопряжено с широким спектром возможных ответов. Глобальная вариабельность, напротив, достигала пика в ассоциативных областях высшего порядка, которые связывают информацию по всему мозгу. Там она коррелировала с более медленными, диффузными сигнальными системами и с известными градиентами, простирающимися от базовой сенсорной обработки к абстрактной когнитивной деятельности.

Связывая вариабельность fMRI с быстрыми ритмами мозга

Поскольку fMRI относительно медленная, команда обратилась к магнитоэнцефалографии (MEG), которая регистрирует активность мозга с миллисекундным разрешением. Они вычислили MEG‑аналог локальной вариабельности и также проанализировали форму спектра мощности мозга, который описывает силу различных частот. Более плоские спектры — напоминающие белый шум и включающие больше высокочастотной активности — сопровождались большей локальной вариабельностью, как в реальных записях, так и в моделях. Сравнение MEG и fMRI по коре показало согласованные взаимосвязи между ними, что указывает на то, что медленные флуктуации fMRI укоренены в подлежащих электрических процессах, а не являются произвольным дрейфом.

Что это значит для понимания мозга

В совокупности результаты показывают, что вариабельность мозговых сигналов — не тривиальное помеховое явление. Она имеет пространственную структуру, стабильна и тесно связана с тем, как устроены клетки, как химические вещества передают сигналы, как кровь доставляет энергию и насколько быстро работают нейроны. Локальная вариабельность отражает богатые, постоянно меняющиеся ответы областей, ориентированных на входящую информацию, тогда как глобальная вариабельность отражает гибкую координацию масштабных сетей. С возрастом эти динамические диапазоны сужаются, что может частично объяснять изменения в мышлении и поведении. Для непрофессионального читателя главный вывод таков: здоровый мозг не является идеально стабильным механизмом, а представляет собой тонко настроенную, немного непредсказуемую систему, чьи небольшие флуктуации необходимы для адаптации и устойчивости.

Цитирование: Baracchini, G., Zhou, Y., da Silva Castanheira, J. et al. The biological role of local and global fMRI BOLD signal variability in multiscale human brain organization. Nat Commun 17, 2189 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-68700-0

Ключевые слова: вариабельность сигнала мозга, функциональная МРТ, сети мозга, нейровизуализация, нейронная динамика