Ny billedbehandlingsplatform afslører det neuronale grundlag for et drivende sind

Hvornår har du sidst dagdrømt? Uden at være særlig opmærksom på omverdenen, engageret i introspektion eller huskehukommelse, føles din mentale tilstand ændret. Denne forskel afspejles i globale mønstre for hjerneaktivitet - standardtilstandsnetværket (DMN). DMN, der blev identificeret for 20 år siden, og siden har været i fokus for megen forskningsaktivitet, forbinder flere hjerneregioner gennem forskellige lavfrekvente svingninger.

"DMN menes også at spille en nøglerolle i en række neurologiske og psykiatriske lidelser, herunder Alzheimers sygdom, skizofreni, depression og autisme," siger Tzu-Hao Harry Chao fra University of North Carolina ved Chapel Hill's neurologisk afdeling. "Forståelse af, hvordan DMN fungerer i sundhed og sygdom, kan føre til nye behandlinger og interventioner for disse tilstande."

Motiveret af disse mål har Chao og kolleger kombineret funktionel magnetisk resonansbilleddannelse (fMRI) med en fiberfotometrisensor, der måler cellulære calciumniveauer for at forstå, hvordan forskellige hjerneregioner samles for at etablere og forstyrre DMN i rottehjerner. De rapporterer deres resultater i Science Forskud.

Når man studerer hjerneforbindelser i stor skala, er det udfordrende at udnytte individuelle neuroner, især i dybe hjerneområder. For at undersøge globale træk bruger neuroforskere derfor ofte en proxy for neuronal aktivitet.

"For eksempel registrerer fMRI ændringer i blodets iltning/flow til forskellige områder af hjernen, som menes at afspejle ændringer i neuronal aktivitet," forklarer Chao og advarer om, at "dette forhold mellem blodgennemstrømning og neuronal aktivitet ikke altid er ligetil, og der kan være mange kilder til støj og variabilitet i fMRI-signaler." For at supplere fMRI-data med et direkte mål for neuronal aktivitet udviklede forskerholdet en fMRI-kompatibel optisk billeddannelsesplatform, der giver multi-site neuronal udlæsning fra rottehjerner.

Under signaltransmission fra en neuron til en anden kommer calciumioner ind i cellen som reaktion på et aktionspotentiale, hvilket udløser frigivelsen af ​​neurotransmittere i synapsen. Til eksperimenterne brugte holdet gensplejsede rotter, der bærer et calciumfølsomt protein. Proteinet "undergår en konformationel ændring som reaktion på calciumbinding, hvilket fører til øget fluorescensintensitet, der kan bruges til at detektere ændringer i intracellulære calciumniveauer," siger Chao.

Forskerne synkroniserede en fMRI-maskine til en fiberfotometriplatform, der kan detektere ændringer i cellulær calciumkoncentration samtidigt i fire hjerneområder. De scannede derefter hjernen på bedøvede gnavere for ændringer i DMN-aktivitet, som de tilpassede til calciumdataene.

Tre ud af de fire observerede hjerneregioner udviste øget neural aktivitet lige før DMN blev etableret, mens aktiviteten i den fjerde region – den forreste insulære cortex – var signifikant sænket. Dette er interessant, da den forreste insulære cortex spiller en rolle i salience-netværket (SN), en alternativ hjerneforbindelsestilstand forbundet med opmærksomhed.

I modsætning hertil blev aktiviteten i de tre DMN-associerede regioner ved DMN-deaktivering hæmmet, mens det forreste insulære cortex-signal steg omkring 8 s før DMN lukkede ned. Efter statistisk analyse afslører disse observationer, at anterior insulær cortex-aktivitet har en negativ kausal indflydelse på de andre DMN-hjerneregioner.

Forskerne udledte også en model af fem latente hjernetilstande komplet med en cyklus af sandsynlige overgange mellem dem. Da den forreste insulære cortex i nogle af disse latente tilstande korrelerer med de andre regioner, mens der i andre stater er en anti-korrelation, konkluderer Chao, at "topologien af ​​storskala hjernenetværk kan være meget dynamisk, og disse netværk kan være noget overlappende. i stedet for tydeligt adskilt”. Den vej, hvormed den forreste insulære cortex inducerer DMN-undertrykkelse, kræver imidlertid yderligere undersøgelse, hvilket teamet håber at opnå i fremtidigt arbejde.

Forskerne studerede også hjernen hos vågne rotter med kalkmålingsteknikken. Ved at bruge et oddball-paradigme, hvor rotterne lyttede til gentagne toner med en lejlighedsvis odd-one-out, fandt de et kausalt netværk mellem de undersøgte hjerneregioner, igen med den forreste insulære cortex, der har en hæmmende rolle på andre DMN-associerede regioner.

Eksperimenter på vågne rotter havde ikke fMRI, fordi konventionelle fMRI-optagelser er meget høje, hvilket kan forårsage stress for dyret. "Hos mennesker kan vi bruge ørepropper plus høreværn til at minimere den akustiske støj for at påvirke mennesker," forklarer Chao. "Dette er praktisk talt sværere for os at efterligne hos gnavere, til dels fordi deres kranier er meget tynde, så den akustiske støj let kan trænge igennem. Når det er sagt, arbejder vi faktisk på at udføre fMRI i vågne mus med en ny lydløs fMRI-teknik."

Holdet udvikler calcium-sensor tilgangen yderligere ved at inkludere flere kanaler for at muliggøre dataindsamling fra to forsøgspersoner på samme tid. "Denne opgradering vil gøre os i stand til at undersøge DMN- og SN-rollerne i social interaktion ved hjælp af gnavermodeller. Vi opretholder et aktivt samarbejde om dette emne med Vinod Menons laboratorium på Stanford University,” siger Chao.

Samtidig EEG og fMRI måler søvn 'inerti'

Han er overbevist om, at deres forskning "baner vejen for fremtidige translationelle undersøgelser ved hjælp af gnavermodeller til at undersøge det cellulære grundlag for storskala, funktionelt og adfærdsmæssigt signifikante hjernenetværk i den raske hjerne, og de neuronale mekanismer, der fører til netværksdysfunktion i hjernesygdomme ”.

"[Det] har potentialet til at transformere landskabet af fMRI, og den opnåede viden vil have udbredte implikationer for design, analyse og fortolkning af menneskelig hjerne fMRI-data," fortæller Chao Fysik verden.

• SEO Powered Content & PR Distribution. Bliv forstærket i dag.
• Platoblokkæde. Web3 Metaverse Intelligence. Viden forstærket. Adgang her.
• Kilde: https://physicsworld.com/a/novel-imaging-platform-reveals-the-neuronal-basis-of-a-drifting-mind/