MRI研究は人間の脳がどのように機能するかについての私たちの知識に疑問を投げかける – Physics World

MRI研究は人間の脳がどのように機能するかについての私たちの知識に疑問を投げかける – Physics World

タイムスタンプ：6年2023月5日午前00時XNUMX分

ジェームス・パンとアレックス・フォルニート
脳の形 モナシュ大学の研究者、ジェームス・パン氏（左）とアレックス・フォルニト氏は、10,000万件以上のMRIを研究し、脳の形状がその活動に影響を与えていることを突き止めた。 （提供：モナシュ大学）

人間の脳はどのように機能するのでしょうか? それは誰に尋ねるかによります。

おそらく学校では、私たちの脳には入力を処理し、思考、感情、運動の形成を助ける何十億ものニューロンが含まれていると教えられたでしょう。 画像処理の専門家に聞けば、さまざまな画像処理技術を使用して脳をさまざまな方法で観察できる方法や、それぞれの画像から何が学べるかがわかります。 神経科学者は、ニューロンとドーパミンやセロトニンなどの関連化学物質との間の相互作用についても説明します。

脳の形状が脳の活動にどのような影響を与えるかについての数学的枠組み（神経場理論と呼ばれる数学的神経科学の分野）に焦点を当てている神経科学者のサブグループに質問すると、脳の形状、構造、機能の関係をさらに別の方法で理解できるようになるでしょう。 。

神経場の理論は、脳がどのように機能するかについての従来の理解を基礎にしています。 それは、脳の物理的形状、つまり皮質の大きさ、長さ、曲率、皮質下の三次元形状を、時間と空間にわたって脳活動が起こる足場として使用します。 次に科学者は、脳の幾何学的形状を使用して脳の巨視的な電気活動をモデル化し、制約を課します。 たとえば、皮質に沿った電気活動は、神経組織のシートを伝播する進行波の重ね合わせとしてモデル化される可能性があります。

「脳の形状が内部で起こるあらゆる活動に影響を与えたり、制約したりする可能性があるという考えは、従来の神経科学の疑問ではありませんよね？ これは非常に難解な質問です…脳の複雑な配線をマッピングするために何十年にもわたって研究が行われてきましたが、脳から出てくるすべての活動はこの複雑な配線によって駆動されていると私たちは考えてきました。」 ジェームス・パン、モナシュ大学の研究員 ターナー脳・精神衛生研究所.

に掲載された研究では 自然, Pangらは、脳の形状と機能的MRI（fMRI）活動との強い関係を特定することで、この一般的な理解に異議を唱えた。

研究者らは、固有モードと呼ばれる自然共鳴を研究していました。固有モードは、課題誘発型の fMRI スキャン中に脳内で発生する興奮など、システムのさまざまな部分が同じ周波数で振動するときに発生します。 彼らが神経場理論の数学的モデルを 10,000 を超える活動マップと fMRI データに適用したとき、 ヒューマンコネクトームプロジェクト研究者らは、皮質および皮質下の活動が、最大6cm以上の長い空間波長を持つ脳全体の固有モードの励起によって生じることを発見した。 この結果は、脳の活動は局所的であるという有力な考えとは対照的です。

「私たちは長い間、特定の思考や感覚が脳の特定の部分の活動を引き起こすと考えてきましたが、この研究は、ちょうど音符が振動によって発生するのと同じように、活動の構造化されたパターンが脳のほぼ全体にわたって興奮していることを明らかにしました」単に孤立した部分ではなく、ヴァイオリンの弦全体の長さです」とパン氏はプレス声明で述べている。

Pangらはまた、脳の形状のモデルから得られた幾何学的固有モードが、脳の接続性のモデルから得られたコネクトーム固有モードと比較してどのように機能するかを比較した。 彼らは、幾何学的固有モードがコネクトーム固有モードよりも脳の活動に大きな制限を課すことを発見し、脳の輪郭と曲率が脳の活動に強く影響することを示唆しており、おそらくニューロンの集団自体間の複雑な相互接続性よりも大きな影響を与えていると考えられます。

簡単に言えば、科学者の結果は人間の脳がどのように機能するかについての私たちの知識に疑問を投げかけるものです。

「脳内の接続性が重要ではないと言っているわけではありません」とパン氏は言う。 「私たちが言いたいのは、脳の形状も大きく影響しているということです。 両方の世界には何らかの相乗効果がある可能性が非常に高いです…神経場理論の世界と接続性の世界では、研究の両側から何十年も研究が行われてきましたが、私の意見では、どちらも重要です。 この研究は非常に多くの可能性をもたらします。たとえば、幾何学的固有モードが神経発達によってどのように変化するか、または臨床疾患によって破壊されるかを研究できる可能性があります。 とてもエキサイティングです。」

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