MRT-Studie stellt unser Wissen über die Funktionsweise des menschlichen Gehirns in Frage – Physics World

Wie funktioniert das menschliche Gehirn? Es kommt darauf an, wen Sie fragen.

In der Schule wurde Ihnen wahrscheinlich beigebracht, dass unser Gehirn Milliarden von Neuronen enthält, die Eingaben verarbeiten und uns dabei helfen, Gedanken, Emotionen und Bewegungen zu formen. Fragen Sie Bildgebungsspezialisten, und Sie erfahren, wie wir das Gehirn mithilfe verschiedener Bildgebungstechniken auf unterschiedliche Weise sehen können und was wir aus den einzelnen Bildern lernen können. Neurowissenschaftler informieren Sie auch über die Wechselwirkungen zwischen Neuronen und verwandten Chemikalien wie Dopamin und Serotonin.

Wenn Sie eine Untergruppe von Neurowissenschaftlern, die sich mit mathematischen Rahmenbedingungen befassen, fragen, wie die Form des Gehirns seine Aktivität beeinflusst – ein Bereich der mathematischen Neurowissenschaften, der als neuronale Feldtheorie bezeichnet wird –, werden Sie beginnen, die Beziehung zwischen Form, Struktur und Funktion des Gehirns auf noch andere Weise zu verstehen .

Die neuronale Feldtheorie baut auf unserem herkömmlichen Verständnis der Funktionsweise des Gehirns auf. Es nutzt die physische Form des Gehirns – die Größe, Länge und Krümmung des Kortex und die dreidimensionale Form des Subkortex – als Gerüst, auf dem die Gehirnaktivität über Zeit und Raum stattfindet. Anschließend modellieren Wissenschaftler die makroskopische elektrische Aktivität des Gehirns, indem sie die Geometrie des Gehirns nutzen, um Beschränkungen aufzuerlegen. Elektrische Aktivität entlang der Hirnrinde könnte beispielsweise als Überlagerung von Wanderwellen modelliert werden, die sich durch eine Schicht Nervengewebe ausbreiten.

„Die Idee, dass die Geometrie des Gehirns alle Aktivitäten im Inneren beeinflussen oder einschränken kann, ist keine konventionelle neurowissenschaftliche Frage, oder? „Das ist eine sehr esoterische Frage … Es wurde jahrzehntelang daran gearbeitet, die komplizierte Verkabelung des Gehirns zu kartieren, und wir dachten, dass alle Aktivitäten, die aus dem Gehirn kommen, von dieser komplizierten Verkabelung angetrieben werden“, sagt er James Pang, ein wissenschaftlicher Mitarbeiter an der Monash University Turner-Institut für Gehirn- und psychische Gesundheit.

In einer Studie, die in NaturPang und seine Kollegen stellten dieses vorherrschende Verständnis in Frage, indem sie einen starken Zusammenhang zwischen der Gehirnform und der Aktivität der funktionellen MRT (fMRT) identifizierten.

Die Forscher untersuchten natürliche Resonanzen, sogenannte Eigenmoden, die auftreten, wenn verschiedene Teile eines Systems mit derselben Frequenz schwingen, beispielsweise die Anregungen, die im Gehirn während eines aufgabenbedingten fMRT-Scans auftreten. Als sie mathematische Modelle aus der neuronalen Feldtheorie auf über 10,000 Aktivitätskarten und fMRT-Daten von anwendeten Menschliches Connectome-ProjektDie Forscher fanden heraus, dass kortikale und subkortikale Aktivität aus der Anregung hirnweiter Eigenmoden mit langen räumlichen Wellenlängen von bis zu 6 cm und mehr resultiert. Dieses Ergebnis steht im Gegensatz zu der weit verbreiteten Annahme, dass die Gehirnaktivität lokalisiert ist.

„Wir haben lange geglaubt, dass bestimmte Gedanken oder Empfindungen Aktivität in bestimmten Teilen des Gehirns hervorrufen, aber diese Studie zeigt, dass strukturierte Aktivitätsmuster fast im gesamten Gehirn angeregt werden, genau wie die Art und Weise, wie eine Musiknote aus entlang der Oberfläche auftretenden Vibrationen entsteht.“ die gesamte Länge einer Geigensaite und nicht nur ein isoliertes Segment“, sagt Pang in einer Pressemitteilung.

Maschinelles Lernen ermöglicht Einblicke in das menschliche Gehirn

Pang und seine Kollegen verglichen auch, wie sich geometrische Eigenmoden, die aus Modellen der Gehirnform gewonnen wurden, im Vergleich zu Konnektom-Eigenmoden verhielten, die aus Modellen der Gehirnkonnektivität gewonnen wurden. Sie fanden heraus, dass geometrische Eigenmoden der Gehirnaktivität stärkere Grenzen setzen als Connectome-Eigenmoden, was darauf hindeutet, dass die Konturen und Krümmungen des Gehirns die Gehirnaktivität stark beeinflussen – möglicherweise sogar in größerem Maße als die komplexe Vernetzung zwischen Neuronenpopulationen selbst.

Vereinfacht gesagt stellen die Ergebnisse der Wissenschaftler unser Wissen über die Funktionsweise des menschlichen Gehirns in Frage.

„Wir sagen nicht, dass die Konnektivität in Ihrem Gehirn nicht wichtig ist“, sagt Pang. „Was wir sagen ist, dass auch die Form Ihres Gehirns einen wesentlichen Beitrag leistet. Es ist sehr wahrscheinlich, dass beide Welten gewisse Synergien aufweisen. Es gibt jahrzehntelange Arbeit von beiden Seiten der Forschung in der Welt der neuronalen Feldtheorie und der Konnektivitätswelt, und meiner Meinung nach sind beide wichtig. Diese Studie eröffnet so viele Möglichkeiten – wir könnten beispielsweise untersuchen, wie geometrische Eigenmodi im Laufe der neurologischen Entwicklung variieren oder durch klinische Störungen gestört werden. Es ist ziemlich aufregend.“

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• Quelle: https://physicsworld.com/a/mri-study-challenges-our-knowledge-of-how-the-human-brain-works/