Az új képalkotó platform feltárja a sodródó elme neuronális alapjait

Mikor álmodtál utoljára? Ha nem fordít különösebb figyelmet a külvilágra, önvizsgálatot vagy emlékezést folytat, mentális állapota megváltozottnak érzi magát. Ez a különbség az agyi tevékenység globális mintáiban – az alapértelmezett módú hálózatban (DMN) – tükröződik. A 20 évvel ezelőtt azonosított, és azóta számos kutatási tevékenység középpontjában álló DMN több agyi régiót köt össze különálló, alacsony frekvenciájú oszcillációkkal.

„A DMN kulcsszerepet játszik számos neurológiai és pszichiátriai rendellenességben is, beleértve az Alzheimer-kórt, a skizofréniát, a depressziót és az autizmust” – mondja Tzu-Hao Harry Chao, a Chapel Hill-i Észak-Karolinai Egyetem munkatársa. neurológiai osztály. "A DMN egészségben és betegségekben való működésének megértése új kezelésekhez és beavatkozásokhoz vezethet ezekre a betegségekre."

E célok motiválására Chao és munkatársai kombinálták a funkcionális mágneses rezonancia képalkotást (fMRI) egy szálas fotometriás érzékelővel, amely méri a sejt kalciumszintjét, hogy megértsék, hogyan jönnek össze a különböző agyi régiók a DMN létrehozása és megzavarása érdekében patkányagyban. Eredményeikről beszámolnak Tudomány előlegek.

A nagy léptékű agyi konnektivitás tanulmányozása során kihívást jelent az egyes neuronok érintése, különösen az agy mély régióiban. A globális jellemzők vizsgálatához az idegtudósok ezért gyakran használnak proxyt a neuronális aktivitásra.

"Például az fMRI észleli a vér oxigénellátásában/az agy különböző régióiba történő áramlásában bekövetkező változásokat, amelyekről úgy gondolják, hogy a neuronális aktivitás változásait tükrözik" - magyarázza Chao, figyelmeztetve, hogy "a véráramlás és a neuronális aktivitás közötti kapcsolat nem mindig egyértelmű, és Az fMRI-jelek zajának és változékonyságának számos forrása lehet." Az fMRI adatok kiegészítésére a neuronális aktivitás közvetlen mérésével a kutatócsoport egy fMRI-kompatibilis optikai képalkotó platformot fejlesztett ki, amely több helyről is képes leolvasni a neuronokat patkányagyból.

Az egyik neuronról a másikra történő jelátvitel során a kalciumionok egy akciós potenciálra válaszul belépnek a sejtbe, és kiváltják a neurotranszmitterek felszabadulását a szinapszisba. A kísérletekhez a csapat génmanipulált patkányokat használt, amelyek kalciumérzékeny fehérjét hordoznak. A fehérje „konformációs változáson megy keresztül a kalciumkötés hatására, ami megnövekedett fluoreszcencia intenzitáshoz vezet, amely felhasználható az intracelluláris kalciumszint változásainak kimutatására” – mondja Chao.

A kutatók egy fMRI-készüléket szinkronizáltak egy szálfotometriás platformmal, amely négy agyi régióban egyidejűleg képes észlelni a celluláris kalciumkoncentráció változásait. Ezután átvizsgálták az érzéstelenített rágcsálók agyát a DMN aktivitás változásaira, amit a kalciumadatokhoz igazítottak.

A négy megfigyelt agyi régió közül három fokozott idegi aktivitást mutatott közvetlenül a DMN kialakulása előtt, míg a negyedik régióban – az elülső insuláris kéregben – szignifikánsan csökkent az aktivitás. Ez azért érdekes, mert az elülső insuláris kéreg szerepet játszik a kiugró hálózatban (SN), amely a figyelemhez kapcsolódó alternatív agyi kapcsolódási állapot.

Ezzel szemben a DMN deaktiválásakor az aktivitás a három DMN-hez kapcsolódó régióban gátolt, míg az elülső insuláris kéreg jele körülbelül 8 másodperccel a DMN leállása előtt megugrott. A statisztikai elemzést követően ezek a megfigyelések azt mutatják, hogy az elülső szigeti kéreg aktivitása negatív ok-okozati hatást gyakorol a többi DMN agyi régióra.

A kutatók öt látens agyi állapot modelljét is levezették, amelyek a köztük lévő valószínű átmenetek ciklusát tartalmazzák. Mivel ezen látens állapotok némelyikében az elülső szigeti kéreg korrelál a többi régióval, míg más állapotokban antikorreláció van, Chao arra a következtetésre jut, hogy „a nagyméretű agyi hálózatok topológiája nagyon dinamikus lehet, és ezek a hálózatok némileg átfedhetik egymást. ahelyett, hogy egyértelműen elkülönült volna”. Az az út, amelyen keresztül az elülső insuláris kéreg indukálja a DMN-szuppressziót, további vizsgálatot igényel, azonban a csapat reméli, hogy a jövőbeni munkája során sikerül elérni.

A kutatók ébren lévő patkányok agyát is tanulmányozták kalciummérő technikával. Egy páratlan paradigmát használva, ahol a patkányok ismétlődő hangokat hallgattak alkalmi páratlan hanggal, ok-okozati hálózatot találtak a vizsgált agyi régiók között, ahol az elülső insuláris kéreg gátló szerepet játszik más, DMN-hez kapcsolódó régiókban.

Az éber patkányokon végzett kísérletek nem tartalmaztak fMRI-t, mivel a hagyományos fMRI-felvételek nagyon hangosak, ami stresszt okozhat az állatban. „Embereknél használhatunk füldugót és fülvédőt, hogy minimálisra csökkentsük az embereket érintő akusztikus zajt” – magyarázza Chao. „Ezt gyakorlatilag nehezebb utánozni rágcsálókon, részben azért, mert koponyájuk nagyon vékony, hogy az akusztikus zaj könnyen áthatoljon. Ennek ellenére valóban azon dolgozunk, hogy fMRI-t végezzünk éber egereken egy új, csendes fMRI technikával.”

A csapat továbbfejleszti a kalcium-szenzoros megközelítést azáltal, hogy több csatornát is beiktat, hogy egyszerre két alanyról is gyűjtsön adatokat. „Ez a frissítés lehetővé teszi számunkra, hogy rágcsálómodellek segítségével vizsgáljuk a DMN és az SN szerepét a társadalmi interakcióban. Ebben a témában aktívan együttműködünk Vinod Menon laboratóriumával a Stanford Egyetemen” – mondja Chao.

Az egyidejű EEG és fMRI az alvási „tehetetlenséget” méri

Meggyőződése, hogy kutatásaik „kikövezi az utat a jövőbeli transzlációs tanulmányok számára, amelyek rágcsálómodelleket alkalmaznak, hogy megvizsgálják a nagy léptékű, funkcionálisan és viselkedési szempontból jelentős agyi hálózatok sejtszintű alapjait az egészséges agyban, valamint azokat a neuronális mechanizmusokat, amelyek agyi rendellenességek esetén hálózati diszfunkcióhoz vezetnek. ”.

„[Ez] képes átalakítani az fMRI tájképét, és a megszerzett tudás széles körben kihat az emberi agy fMRI-adatainak tervezésére, elemzésére és értelmezésére” – mondja Chao. Fizika Világa.

• SEO által támogatott tartalom és PR terjesztés. Erősödjön még ma.
• Platoblockchain. Web3 metaverzum intelligencia. Felerősített tudás. Hozzáférés itt.
• Forrás: https://physicsworld.com/a/novel-imaging-platform-reveals-the-neuronal-basis-of-a-drifting-mind/