MRI-tutkimus haastaa tietomme ihmisaivojen toiminnasta – Physics World

MRI-tutkimus haastaa tietomme ihmisaivojen toiminnasta – Physics World

Aikaleima: 6. heinäkuuta 2023 klo 5

James Pang ja Alex Fornito
Aivojen muoto Monashin yliopiston tutkijat James Pang (vas.) ja Alex Fornito tutkivat yli 10,000 XNUMX MRI:tä selvittääkseen, että aivojen geometria vaikuttaa aivojen toimintaan. (Kohta: Monashin yliopisto)

Miten ihmisen aivot toimivat? Riippuu keneltä kysyt.

Koulussa sinulle opetettiin todennäköisesti, että aivoissamme on miljardeja hermosoluja, jotka käsittelevät syötteitä ja auttavat meitä muodostamaan ajatuksia, tunteita ja liikkeitä. Kysy kuvantamisasiantuntijoilta, niin opit kuinka voimme nähdä aivot eri tavoin käyttämällä erilaisia ​​​​kuvaustekniikoita ja mitä voimme oppia kustakin kuvasta. Neurotieteilijät kertovat myös hermosolujen ja niihin liittyvien kemikaalien, kuten dopamiinin ja serotoniinin, välisistä vuorovaikutuksista.

Jos kysyt matemaattisiin kehyksiin keskittyvältä neurotieteilijältä, kuinka aivojen muoto vaikuttaa sen toimintaan – matemaattisen neurotieteen alueelta, jota kutsutaan hermokenttäteoriaksi –, alat ymmärtää aivojen muodon, rakenteen ja toiminnan välistä suhdetta vielä toisella tavalla. .

Hermokenttäteoria perustuu tavanomaiseen ymmärryksemme aivojen toiminnasta. Se käyttää aivojen fyysistä muotoa – aivokuoren kokoa, pituutta ja kaarevuutta sekä alikuoren kolmiulotteista muotoa – telineenä, jonka päällä aivotoiminta tapahtuu ajan ja tilan myötä. Sitten tutkijat mallintavat aivojen makroskooppista sähköistä aktiivisuutta käyttämällä aivojen geometriaa asettamaan rajoituksia. Sähköinen aktiivisuus aivokuoressa voidaan esimerkiksi mallintaa liikkuvien aaltojen superpositiona, jotka etenevät hermokudoslevyn läpi.

"Ajatus siitä, että aivojen geometria voi vaikuttaa tai rajoittaa mitä tahansa toimintaa sisällä tapahtuu, ei ole perinteinen neurotieteen kysymys, eikö niin? Se on hyvin esoteerinen kysymys… Aivojen monimutkaisten johtojen kartoittamiseksi on tehty vuosikymmeniä työtä, ja olemme luulleet, että kaikki aivoista tuleva toiminta on tämän monimutkaisen johdotuksen ohjaama. James Pang, tutkija Monashin yliopistossa Turner Institute for Brain and Mental Health.

Tutkimuksessa julkaistiin luonto, Pang ja hänen kollegansa ovat kyseenalaistaneet tämän vallitsevan käsityksen tunnistamalla vahvan yhteyden aivojen muodon ja toiminnallisen MRI-toiminnan (fMRI) välillä.

Tutkijat tutkivat luonnollisia resonansseja, joita kutsutaan ominaismuodoiksi, joita esiintyy, kun järjestelmän eri osat värähtelevät samalla taajuudella, kuten viritteitä, joita esiintyy aivoissa tehtävän aiheuttaman fMRI-skannauksen aikana. Kun he sovelsivat matemaattisia malleja hermokenttäteoriasta yli 10,000 XNUMX aktiivisuuskarttaan ja fMRI-dataan Human Connectome -projekti, tutkijat havaitsivat, että aivokuoren ja aivokuoren aktiivisuus johtuu aivojen laajuisten ominaismuotojen virityksestä, joiden spatiaaliset aallonpituudet ovat jopa 6 cm tai yli. Tämä tulos on ristiriidassa johtavan uskomuksen kanssa, että aivojen toiminta on paikallista.

"Olemme pitkään ajatellut, että tietyt ajatukset tai tuntemukset saavat aikaan toimintaa tietyissä aivojen osissa, mutta tämä tutkimus paljastaa, että rakenteelliset toimintamallit kiihtyvät lähes koko aivoissa, aivan kuten tapa, jolla nuotti syntyy värähtelyjen seurauksena. viulun kielen koko pituuden, ei vain yksittäistä segmenttiä”, Pang sanoo tiedotteessa.

Pang ja hänen kollegansa vertailivat myös sitä, kuinka aivojen muotomalleista saadut geometriset ominaismuodot toimivat suhteessa aivojen yhteyksien malleista saatuihin konnektomiin ominaismuotoihin. He havaitsivat, että geometriset ominaismuodot asettivat suurempia rajoituksia aivojen toiminnalle kuin konnektioiset ominaismuodot, mikä viittaa siihen, että aivojen ääriviivat ja kaarevuus vaikuttavat voimakkaasti aivojen toimintaan – ehkä jopa enemmän kuin itse neuronipopulaatioiden monimutkainen yhteenliitettävyys.

Yksinkertaisesti sanottuna tutkijoiden tulokset haastavat tietomme ihmisaivojen toiminnasta.

"Emme väitä, että aivojen yhteys ei olisi tärkeä", Pang sanoo. ”Sanomme, että myös aivojen muodolla on merkittävä vaikutus. On erittäin todennäköistä, että molemmilla maailmoilla on jonkin verran synergiaa… hermokenttäteoriamaailman ja konnektiviteettimaailman tutkimuksen molemmilta puolilta on tehty vuosikymmeniä ja vuosikymmeniä työtä, ja molemmat ovat mielestäni tärkeitä. Tämä tutkimus avaa monia mahdollisuuksia – voisimme tutkia, kuinka geometriset ominaismuodot vaihtelevat hermoston kehityksen mukaan tai esimerkiksi kliiniset sairaudet häiritsevät niitä. Se on aika jännittävää.”

Aikaleima:

Lisää aiheesta Fysiikan maailma