MR-studie udfordrer vores viden om, hvordan den menneskelige hjerne fungerer – Physics World

MR-studie udfordrer vores viden om, hvordan den menneskelige hjerne fungerer – Physics World

Tidsstempel: 6. juli 2023 kl. 5

James Pang og Alex Fornito
Hjernens form Monash University-forskerne James Pang (til venstre) og Alex Fornito undersøgte over 10,000 MRI'er for at bestemme, at hjernegeometrien påvirker dens aktivitet. (Med høflighed: Monash University)

Hvordan fungerer den menneskelige hjerne? Det kommer an på, hvem du spørger.

I skolen blev du sandsynligvis lært, at vores hjerner indeholder milliarder af neuroner, der behandler input og hjælper os med at danne tanker, følelser og bevægelser. Spørg billeddiagnostiske specialister, og du vil lære om, hvordan vi kan se hjernen på forskellige måder ved hjælp af en række billedbehandlingsteknikker og om, hvad vi kan lære af hvert billede. Neurovidenskabsmænd vil også fortælle dig om interaktionerne mellem neuroner og relaterede kemikalier, såsom dopamin og serotonin.

Hvis du spørger en undergruppe af neurovidenskabsmænd, der fokuserer på matematiske rammer for, hvordan hjernens form påvirker dens aktivitet – et område af matematisk neurovidenskab kaldet neural feltteori – vil du begynde at forstå sammenhængen mellem hjernens form, struktur og funktion på endnu en måde .

Neural feltteori bygger på vores konventionelle forståelse af, hvordan hjernen fungerer. Den bruger hjernens fysiske form - størrelsen, længden og krumningen af ​​cortex og den tredimensionelle form af subcortex - som et stillads, hvorpå hjerneaktivitet sker over tid og rum. Forskere modellerer derefter hjernens makroskopiske elektriske aktivitet ved hjælp af hjernens geometri til at pålægge begrænsninger. Elektrisk aktivitet langs cortex kan for eksempel modelleres som en superposition af vandrende bølger, der forplanter sig gennem et ark neuralt væv.

"Ideen om, at hjernens geometri kan påvirke eller begrænse enhver aktivitet, der sker indeni, er ikke et konventionelt neurovidenskabeligt spørgsmål, vel? Det er et meget esoterisk spørgsmål...Der har været årtiers arbejde med at forsøge at kortlægge hjernens indviklede ledninger, og vi har troet, at al den aktivitet, der kommer ud af hjernen, er drevet af denne indviklede ledningsføring,” siger James Pang, en forsker ved Monash University's Turner Institute for Brain and Mental Health.

I en undersøgelse offentliggjort i Natur, Pang og hans kolleger har udfordret denne fremherskende forståelse ved at identificere et stærkt forhold mellem hjerneform og funktionel MRI (fMRI) aktivitet.

Forskerne studerede naturlige resonanser kaldet egenmodes, som opstår, når forskellige dele af et system vibrerer med samme frekvens, såsom de excitationer, der opstår i hjernen under en opgave-fremkaldt fMRI-scanning. Da de anvendte matematiske modeller fra neuralfeltteori til over 10,000 aktivitetskort og fMRI-data fra Human Connectome-projekt, fandt forskerne ud af, at kortikal og subkortikal aktivitet er resultatet af excitation af hjerneomfattende egenmoder med lange rumlige bølgelængder op til og over 6 cm. Dette resultat står i kontrast til en førende tro på, at hjerneaktivitet er lokaliseret.

"Vi har længe troet, at specifikke tanker eller fornemmelser fremkalder aktivitet i bestemte dele af hjernen, men denne undersøgelse afslører, at strukturerede aktivitetsmønstre ophidses over næsten hele hjernen, ligesom den måde, hvorpå en musikalsk tone opstår fra vibrationer, der forekommer langs hele længden af ​​en violinstreng, og ikke kun et isoleret segment,” siger Pang i en pressemeddelelse.

Pang og hans kolleger sammenlignede også, hvordan geometriske egenmoder, opnået fra modeller af hjerneform, fungerede i forhold til connectome egenmoder, som er opnået fra modeller for hjerneforbindelse. De fandt ud af, at geometriske egenmoder satte større grænser for hjerneaktivitet end connectome egenmoder, hvilket tyder på, at hjernens konturer og krumning i høj grad påvirker hjerneaktiviteten - måske endda i højere grad end den komplekse sammenkobling mellem populationer af neuroner selv.

Kort sagt udfordrer forskernes resultater vores viden om, hvordan den menneskelige hjerne fungerer.

"Vi siger ikke, at forbindelsen i din hjerne ikke er vigtig," siger Pang. "Det, vi siger, er, at formen på din hjerne også har et væsentligt bidrag. Det er højst sandsynligt, at begge verdener har en vis synergi ... der har været årtier og årtiers arbejde fra begge sider af forskningen i den neurale feltteoriverden og tilslutningsverdenen, og begge dele er vigtige, efter min mening. Denne undersøgelse åbner op for så mange muligheder – vi kunne studere, hvordan geometriske egentilstande varierer gennem neuroudvikling eller forstyrres af for eksempel kliniske lidelser. Det er ret spændende.”

Tidsstempel:

Mere fra Fysik verden