Гамма-волны самый быстрый ритм мозга

Гамма-волны: что это?

Гамма-волны составляют самый быстрый из пяти названных диапазонов волн мозга: электрические ритмы чаще 30 колебаний в секунду. ЭЭГ записывает крошечные изменения напряжения через электроды на коже головы; их создают в основном синаптические токи больших групп нейронов коры, работающих согласованно. В сигнале всегда одновременно много частот; дельта, тета, альфа, бета и гамма являются условными участками одного спектра, а не отдельными сигналами или состояниями сознания.

Гамма к тому же самый слабый участок. Записи мозга подчиняются закономерности, близкой к 1/f: с ростом частоты мощность равномерно падает, поэтому медленные ритмы крупные, а быстрые едва заметны. Глоссарий клинической ЭЭГ отмечает, что гамму чаще всего записывают электродами внутри черепа, а не на коже головы. Гамма-ритмы появляются во многих областях мозга, и в бодрствовании, и во сне, обычно короткими эпизодами, а не ровным фоном.

Интерактивная карта выше показывает пять диапазонов как движущиеся кривые, замедленные в четыре раза, с относительной высотой; нажмите на гамму, чтобы увидеть, когда она сильнее всего и где проявляется. Шесть схематичных состояний ЭЭГ под ней показывают долю каждого диапазона от расслабленного бодрствования до быстрого сна. Всё это схема, а не настоящая запись.

Частота гамма-волн: где начинается и где заканчивается диапазон?

Почти во всех определениях гамма начинается выше 30 Гц, но верхняя граница разная. Глоссарий Международной федерации клинической нейрофизиологии (IFCN), пересмотренный в 2017 году, определяет гамму как ритм выше 30 Гц и до 80 Гц, и карта на этой странице следует ему. В научных статьях используют 30–100 Гц, 30–80 Гц и даже 20–80 Гц.

Это касается не только гаммы. Обзор 184 исследований ЭЭГ в покое, опубликованный в 2018 году, показал, что самое распространённое определение каждого диапазона использовали лишь 30–50 % исследований, так что то, что одна статья называет гаммой, не обязательно совпадает с тем, что имеет в виду другая.

Чаще всего вам встретится частота 40 Гц у нижнего края диапазона: именно с такой частотой мозг человека легче всего следует за ритмичным звуком. Для сравнения, глоссарий относит дельту к частотам ниже 4 Гц, тету к 4–8 Гц, альфу к 8–13 Гц, бету к 14–30 Гц; гамма начинается там, где заканчивается бета.

Откуда берутся гамма-волны в мозге?

Гамма-ритмы создаёт контур из возбуждающих нейронов и быстрых тормозных нейронов. Обзор Бужаки и Ванга 2012 года связывает возникновение гаммы с торможением, которое приходится на тела нейронов, и прямо говорит, что её функции и механизмы остаются предметом споров.

Самые прямые доказательства появились в 2009 году, когда две статьи в одном номере журнала Nature применили на мышах оптогенетику, то есть включение и выключение выбранных нейронов светом. Карден, Мур и коллеги активировали быстро разряжающиеся интернейроны в «усовой» области коры с частотой от 8 до 200 Гц, и это избирательно усиливало гамму; активация возбуждающих пирамидных нейронов усиливала только более низкие частоты. Авторы назвали это первым причинным доказательством того, что гамму создают быстро разряжающиеся клетки.

Сохал, Дейссерот и коллеги показали обратную сторону. Подавление парвальбуминовых интернейронов, главного типа быстро разряжающихся клеток, гасило гамму; их активация создавала ритм гамма-частоты. Сигнал, приходящий в гамма-ритме, передавался по контуру с меньшим шумом.

Исследование Кардена добавило одну деталь: от того, в какой момент гамма-цикла приходил сенсорный сигнал, зависели сила и точность ответа коры.

За что отвечают гамма-волны? Гипотеза связывания

Самая известная идея о гамме: она помогает мозгу связывать отдельные признаки в единый образ. В 1989 году группа Вольфа Зингера во Франкфурте записала нейроны зрительной коры кошек и обнаружила, что они разряжаются в ритме 40–60 Гц. Нейроны в разных колонках коры синхронизировались друг с другом, когда отвечали на один и тот же объект. Авторы предположили, что синхронные колебания могут быть способом, которым мозг объединяет края, цвета и движение одного объекта в разных частях поля зрения.

Фрис в 2009 году развил более широкую версию: гамма-синхронизация встречается во многих областях коры и в разных задачах, и он утверждал, что это базовая операция корковых вычислений, способ отбирать, какие сигналы проходят дальше.

Близкая теория связывает гамму с альфой. Йенсен и Мазахери в 2010 году предположили, что альфа работает как пульсирующее торможение тех областей мозга, которые не нужны для задачи, а в работающих областях гамма растёт, а альфа падает. С этой точки зрения гамма отмечает активный, вовлечённый участок коры, а альфа те части, которые сдерживаются.

Все три остаются гипотезами, за которыми стоят реальные данные, полученными в основном электродами в мозге или на его поверхности. Они не подтверждают популярную идею, что человек может «быть в гамме» как в особом режиме сознания или что больше гаммы значит умнее.

Гамма-волны и медитация: что показало исследование монахов?

Самое цитируемое исследование гаммы у людей проведено в Висконсинском университете. В 2004 году Лутц, Дэвидсон и коллеги записали ЭЭГ восьми опытных буддийских практиков тибетских традиций с практикой от 10 000 до 50 000 часов за 15–40 лет и десяти студентов без опыта медитации. Во время медитации «безобъектного сострадания» практики создавали устойчивые гамма-колебания большой амплитуды, синхронные между удалёнными участками головы.

Соотношение гаммы (25–42 Гц) и медленной активности (4–13 Гц) у практиков было выше уже в покое, до начала медитации. Во время медитации оно резко выросло над большей частью головы и осталось повышенным после неё. У новичков ничего похожего не было.

Важны три ограничения: всего восемь практиков; они были намного старше контрольной группы (средний возраст 49 против 21 года); и исследование показывает разницу между группами, а не то, что её вызвала медитация. Кроме того, гамма на коже головы уязвима для мышечных сигналов, о чём рассказывает следующий раздел.

Более широкая литература о медитации гамма-признака не показывает. Систематический обзор 2015 года, охвативший 56 исследований ЭЭГ при практике осознанности с 1 715 участниками, показал, что осознанность чаще всего сопровождалась ростом мощности альфа и тета, а устойчивой картины для гаммы не нашёл. Эти данные разобраны на страницах сайта про тета- и альфа-волны.

Почему гамма-волны так трудно измерить на ЭЭГ?

Гамму труднее всего измерить с поверхности головы, потому что мышцы и глаза создают электрические сигналы в том же диапазоне частот, гораздо более крупные, чем собственная гамма мозга. Даже лёгкое напряжение лба, челюсти или шеи добавляет в запись быструю активность.

Исследование 2007 года измерило эту проблему. Уитэм и коллеги записали ЭЭГ двух человек с полным параличом мышц и без него. Мощность выше 20 Гц в этих двух состояниях различалась в 10–200 раз. Их вывод: большая часть ЭЭГ с кожи головы выше 20 Гц имеет мышечное происхождение, и прежние исследования гаммы с поверхности головы нужно пересмотреть.

Глаза добавляют вторую проблему. В 2008 году Ювал-Гринберг, Деуэлл и коллеги объединили ЭЭГ с отслеживанием движений глаз и показали, что широко описанная вспышка гаммы через 200–300 мс после появления изображения совпадала по времени с крошечными непроизвольными движениями глаз (микросаккадами) и шла от глазных мышц. Они подчеркнули, что настоящая нейронная гамма убедительно показана другими методами; проблема именно в этом сигнале с поверхности головы.

Бытовые ЭЭГ-повязки располагаются на лбу и за ушами, близко к этим мышцам, и сравнение 2017 года показало, что они сильнее медицинских систем подвержены артефактам от моргания и мышц. Относитесь осторожно к любой повязке или приложению, которые сообщают вашу «гамму»: сжатая челюсть может выглядеть как вспышка озарения.

Почему 40 Гц? Ответ мозга на ритмичный звук и свет

Когда звук повторяется около 40 раз в секунду, слуховая система отвечает одной устойчивой волной 40 Гц. Галамбос, Мейкиг и Талмачофф описали этот слуховой потенциал 40 Гц с поверхности головы человека в 1981 году. Он появляется даже при громкости, близкой к порогу слышимости, поэтому оказался удобен для проверки слуха.

Позднее выяснилось, что такие стационарные ответы можно записать на звуки, повторяющиеся от 1 до 200 раз в секунду, но обзор Пиктона и коллег 2003 года отмечает, что у бодрствующих людей они особенно выражены около 40 Гц. Сурдологи используют их для объективной оценки порогов слуха, а анестезиологи для контроля наркоза.

Зрение ведёт себя похоже. В исследовании Херрманна 2001 года десять человек смотрели на свет, мерцающий с каждой частотой от 1 до 100 Гц. Зрительная кора следовала за мерцанием как минимум до 90 Гц, а самые сильные ответы были около 10, 20, 40 и 80 Гц.

Стационарный ответ следует за стимулом, пока тот длится. Меняет ли он что-то сверх этого, например память или течение болезни, это отдельный вопрос, и для него нужны отдельные доказательства.

Может ли звук усилить гамма-волны? Бинауральные ритмы и синхронизация

Звук, пульсирующий 40 раз в секунду, вызывает в слуховой коре ответ 40 Гц; это установлено. Бинауральный ритм, когда каждое ухо слышит немного другой тон, даёт более слабый ответ: исследование 2005 года показало, что бинауральный ритм 40 Гц вызывал ответ мозга 40 Гц только с низкими тонами, около 400 Гц, и этот ответ был меньше, чем на тот же ритм, физически присутствующий в звуке.

На всех частотах доказательства того, что бинауральные ритмы меняют ЭЭГ, противоречивы: систематический обзор 2023 года нашёл пять исследований ЭЭГ в пользу синхронизации, восемь против и одно со смешанным результатом. Метаанализ 22 исследований 2019 года нашёл средний эффект на память, внимание, тревогу и боль; это показывает, что люди реагируют на ритмы, а не то, что изменились их волны мозга.

Страница сайта о бинауральных ритмах 40 Гц рассказывает о самом звуке: какие тоны использовать, что показали исследования внимания и как слушать. Эта страница остаётся про мозг.

40 Гц и болезнь Альцгеймера: опыты МТИ на мышах и неудачная проверка

Интерес к 40 Гц возник в лаборатории Ли-Хуэй Цай в Массачусетском технологическом институте (МТИ). В 2016 году её группа сообщила в журнале Nature, что у мышей с моделью болезни Альцгеймера гамма ослабевала ещё до появления амилоидных бляшек. Активация парвальбуминовых интернейронов с частотой 40 Гц, но не с другими частотами, снижала уровень бета-амилоида и привлекала микроглию, иммунные клетки мозга. Неинвазивный мерцающий свет 40 Гц снижал уровень бета-амилоида в зрительной коре молодых мышей и уменьшал количество бляшек у старших. Авторы вносили в статью исправления в 2018 и 2024 годах.

В 2019 году группа добавила звук: семь дней тонов 40 Гц улучшили память и снизили количество амилоида в слуховой коре и гиппокампе мышей 5XFAD, а звук вместе со светом, но не каждый по отдельности, уменьшил бляшки на обширных участках неокортекса. Статья 2024 года связала эффект с усилением тока спинномозговой жидкости через глимфатическую систему; блокада этой системы отменяла удаление амилоида.

В 2023 году команда Нью-Йоркского университета под руководством Дьёрдя Бужаки повторила опыт со светом на двух моделях мышей с электродами в зрительной коре, энторинальной коре и гиппокампе. Мерцание не вовлекало собственные гамма-колебания мозга, и надёжных изменений в бляшках, микроглии или бета-амилоиде не было. Кроме того, мыши избегали мерцающего света. Данные на мышах разделились между двумя уважаемыми лабораториями, и вопрос остаётся открытым.

Свет и звук 40 Гц у людей: что показали клинические исследования?

Первые результаты на людях, опубликованные в 2022 году Чаном, Ли-Хуэй Цай и коллегами, получены в два этапа. Отдельные сеансы у 43 человек, в том числе у 2 пациентов с эпилепсией и электродами в мозге, показали, что свет и звук 40 Гц безопасны и что ритм доходит до гиппокампа и других глубоких структур. В пилотном исследовании 15 человек с лёгкой вероятной болезнью Альцгеймера три месяца ежедневно получали свет и звук 40 Гц; исследование было простым слепым, рандомизированным, плацебо-контролируемым. В группе 40 Гц гиппокамп меньше уменьшился, желудочки меньше расширились, отсроченное запоминание лиц и имён было лучше, а суточный ритм активности регулярнее. При 15 участниках и поисковых показателях это пилотное исследование.

Исследование OVERTURE, опубликованное в 2024 году, проверило устройство компании Cognito Therapeutics на 76 людях с лёгкой и умеренной болезнью Альцгеймера: двойное слепое, в соотношении два к одному настоящее устройство или имитация, час в день дома в течение шести месяцев. Оно было безопасным, без признаков отёка мозга на снимках, а соблюдение режима составило 85–90 %. По главному показателю и по двум стандартным когнитивным и клиническим шкалам отличия от имитации не было. Некоторые вторичные показатели, в том числе повседневная активность и общий объём мозга на МРТ, показали меньшее ухудшение с номинальной значимостью. Исследование не было рассчитано на доказательство эффективности, поэтому более крупные проценты компании по этим вторичным показателям результатом не являются.

Ключевое исследование HOPE с устройством той же компании в 2025 году закончило набор 670 участников примерно в 70 центрах США; они 12 месяцев ежедневно пользуются устройством дома, в сравнении с имитирующим устройством. Компания называет устройство исследовательским и не предназначенным для продажи. На 1 октября 2026 года основные результаты опубликованы не были. Ни одно устройство 40 Гц не одобрено для лечения болезни Альцгеймера.

Одно замечание о безопасности касается любого мерцающего света, в том числе 40 Гц. Мерцание может вызвать приступ у людей с фоточувствительной эпилепсией. Сильнее всего провоцируют частоты 15–25 Гц, но на это способна любая частота от 1 до 65 Гц, и в группе риска примерно 1 из 4 000 молодых людей в возрасте 5–24 лет. Не используйте мерцающий свет, если у вас или у члена вашей семьи эпилепсия или был приступ.

Польза гамма-волн: что доказано, а что нет

В списках пользы гамма-волн смешаны опыты на животных, отдельные небольшие исследования и маркетинг. Если разложить их по тому, что действительно проверяли, получится так.

Спокойный итог: гамма-ритмы реальны, их создают известные клетки, и это одна из самых активных тем нейронауки. Для чего они нужны, всё ещё обсуждается, а путь от коры мыши до трека для прослушивания или показаний повязки гораздо длиннее, чем утверждает маркетинг.