Ученые смоделировали разрушение человеческого мозга при семантической деменции

Международный коллектив исследователей при участии нейроученых из НИУ ВШЭ создал вычислительную модель, имитирующую семантическую деменцию — тяжелое нейродегенеративное заболевание, при котором человек постепенно утрачивает способность понимать смысл слов. Нейронная сеть моделирует процессы именно в тех областях мозга, которые наиболее важны для языковой функции. Она показывает, что мозг больных сначала забывает смысл слов, обозначающих предметы, а затем — обозначающих действия. Разрушения в белом веществе более пагубны для речи, чем разрушения в сером. Результаты исследования опубликованы в Scientific Reports. Об этом CNews сообщили представители НИУ ВШЭ.

Мы понимаем смысл сказанного благодаря тому, что наш мозг умеет кодировать, хранить и использовать семантическую информацию, то есть знания о предметах, явлениях, действиях и содержании разнообразных понятий, которые мы приобретаем в течение жизни. Именно понимание значений слов позволяет человеку взаимодействовать с окружающим миром: общаться с другими людьми, выражать свои мысли, полноценно функционировать в обществе.

Поэтому любые нарушения этой способности приводят к очень тяжелым последствиям. При семантической деменции — тяжелом неврологическом заболевании — человек постепенно утрачивает способность понимать обращенную к нему речь, забывает слова и их смысл. Например, он говорит, что сидит «на этой штуке» (слово «стул» выпадает из его семантической системы), перестает понимать, чем различаются, например, собака и кошка, хотя и может без проблем механически повторить сами эти слова вслед за кем-то. Вопрос о том, как именно работает семантическая система мозга человека с нейрональной точки зрения и что происходит с ней при таких тяжелых нарушениях, остается открытым. Известно, что в процессах, связанных с кодированием и хранением значений слов, участвуют как минимум лобная, височная и затылочная доли коры головного мозга в основном в левом полушарии.

Чтобы научиться помогать страдающим семантической деменцией, а в перспективе и предотвращать ее тяжелое течение, нужно понимать природу заболевания и его нейрональные механизмы. В отсутствие живых биологических моделей (ведь речь — уникальная человеческая способность) одним из наиболее объективных подходов к изучению мозговых процессов в контролируемых экспериментальных условиях является их нейрокомпьютерное моделирование. 

Исследователи из НИУ ВШЭ совместно с международным коллективом ученых создали компьютерную модель мозга, которая максимально точно имитирует языковую функцию, исходя из биологического представления о том, какие зоны мозга участвуют в языковых процессах и как они связаны между собой. Модель научили узнавать и понимать различные слова, а затем на ней стали имитировать различные повреждения мозговых тканей, чтобы посмотреть, что происходит с мозгом при развитии семантической деменции, столь разрушительной для речи и интеллекта.

«Мы впервые смоделировали семантическую деменцию при помощи реалистичной компьютерной модели речевой функции. Изучать развитие заболевания на реальных пациентах не всегда представляется возможным: во-первых, есть этические ограничения, а во-вторых, сложно провести чистый эксперимент, ведь мы не можем контролировать болезнь — у каждого пациента она протекает по-своему. Да и у каждого здорового человека есть свои индивидуальные особенности. Мы создали модель нейрональных сетей человека и их активности и сделали ее максимально приближенной к работе мозга при реализации языковой функции. Безусловно, любая модель — это упрощение, но оно так же необходимо, как, например, карта, которая дает нам упрощенное схематичное представление об окружающей местности», — Юрий Штыров , первый автор исследования, ведущий научный сотрудник Института когнитивных нейронаук НИУ ВШЭ.

Чтобы понять, что происходит на разных этапах заболевания, модели наносили «травмы» различной степени тяжести: сначала повредили слегка, имитируя раннюю стадию деменции, затем чуть сильнее и в конце концов очень сильно, таким образом все более разрушая «ткани» программно моделируемых областей мозга. При этом эксперимент запускали в двух вариантах, имитируя повреждения в сером и в белом веществе.  

Результаты эксперимента подтвердили данные клинических исследований о том, что при семантической деменции происходит деградация тканей в различных областях мозга, причем не только в зонах, ключевых для понимания речи, но и в тех, которые отвечают за двигательную активность и восприятие объектов. Модель показала, что разрушения могут затрагивать как серое вещество, так и проводящие пути, причем в последнем случае это приводит к более серьезным проблемам. Кроме того, репрезентации (следы памяти) слов разного типа — обозначающих предметы, действия или абстрактные понятия — страдают по-разному. 

«Пока мы не знаем, когда и где точно начинается деменция, ведь за счет имеющегося у человека когнитивного резерва физические нарушения мозга могут долго оставаться незамеченными. Однако мы увидели, что более серьезные нарушения происходят именно при повреждении связей между различными участками мозга. А кроме того, мы убедились, что слова, связанные с объектами, то есть существительные, выпадают из лексикона быстрее, чем обозначающие действия, то есть глаголы. Эти результаты подсказывают нам, в какую сторону смотреть при работе с пациентами, чтобы сделать шаг в направлении лучшей диагностики и лечения семантической деменции», — Юрий Штыров, первый автор исследования, ведущий научный сотрудник Института когнитивных нейронаук НИУ ВШЭ.