MR-studie utfordrer vår kunnskap om hvordan den menneskelige hjernen fungerer – Physics World

MR-studie utfordrer vår kunnskap om hvordan den menneskelige hjernen fungerer – Physics World

Tidsstempel: 6. juli 2023 5:00

James Pang og Alex Fornito
Formen på hjernen Monash University-forskere James Pang (til venstre) og Alex Fornito studerte over 10,000 XNUMX MR-er for å fastslå at hjernegeometri påvirker aktiviteten. (Med tillatelse: Monash University)

Hvordan fungerer den menneskelige hjernen? Det kommer an på hvem du spør.

På skolen ble du sannsynligvis lært at hjernen vår inneholder milliarder av nevroner som behandler input og hjelper oss med å danne tanker, følelser og bevegelser. Spør bildespesialister, og du vil lære om hvordan vi kan se hjernen på forskjellige måter ved å bruke en rekke bildeteknikker og om hva vi kan lære av hvert bilde. Nevrovitenskapsmenn vil også fortelle deg om interaksjonene mellom nevroner og relaterte kjemikalier, som dopamin og serotonin.

Hvis du spør en undergruppe av nevrovitenskapsmenn som fokuserer på matematiske rammer for hvordan hjernens form påvirker aktiviteten – et område innen matematisk nevrovitenskap kalt nevralfeltteori – vil du begynne å forstå forholdet mellom hjernens form, struktur og funksjon på enda en annen måte .

Nevrale feltteori bygger på vår konvensjonelle forståelse av hvordan hjernen fungerer. Den bruker hjernens fysiske form - størrelsen, lengden og krumningen til cortex, og den tredimensjonale formen til subcortex - som et stillas hvor hjerneaktivitet skjer over tid og rom. Forskere modellerer deretter hjernens makroskopiske elektriske aktivitet ved å bruke hjernens geometri for å pålegge begrensninger. Elektrisk aktivitet langs cortex, for eksempel, kan modelleres som en superposisjon av vandrebølger som forplanter seg gjennom et ark med nevralt vev.

"Ideen om at hjernens geometri kan påvirke eller begrense den aktiviteten som skjer inni er ikke et konvensjonelt nevrovitenskapelig spørsmål, ikke sant? Det er et veldig esoterisk spørsmål ... Det har vært flere tiår med arbeid med å prøve å kartlegge hjernens intrikate ledninger, og vi har trodd at all aktiviteten som kommer ut av hjernen er drevet av denne intrikate ledningen, sier han. James Pang, en stipendiat ved Monash University's Turner Institute for Brain and Mental Health.

I en studie publisert i Natur, Pang og hans kolleger har utfordret denne rådende forståelsen ved å identifisere et sterkt forhold mellom hjerneform og funksjonell MR-aktivitet (fMRI).

Forskerne studerte naturlige resonanser kalt egenmoduser, som oppstår når forskjellige deler av et system vibrerer med samme frekvens, for eksempel eksitasjonene som oppstår i hjernen under en oppgavefremkalt fMRI-skanning. Da de brukte matematiske modeller fra nevrale feltteori til over 10,000 XNUMX aktivitetskart og fMRI-data fra Human Connectome-prosjekt, fant forskerne at kortikal og subkortikal aktivitet skyldes eksitasjon av hjerneomfattende egenmoder med lange romlige bølgelengder opp til og over 6 cm. Dette resultatet står i kontrast til en ledende tro på at hjerneaktivitet er lokalisert.

"Vi har lenge trodd at spesifikke tanker eller fornemmelser fremkaller aktivitet i bestemte deler av hjernen, men denne studien avslører at strukturerte aktivitetsmønstre er begeistret over nesten hele hjernen, akkurat som måten en musikalsk note oppstår fra vibrasjoner som oppstår langs hele lengden av en fiolinstreng, og ikke bare et isolert segment, sier Pang i en pressemelding.

Pang og kollegene hans sammenlignet også hvordan geometriske egenmoder, hentet fra modeller av hjerneform, opptrådte i forhold til connectome egenmoder, som er hentet fra modeller for hjernetilkobling. De fant at geometriske egenmoduser satte større grenser for hjerneaktivitet enn koblingsegenmoder, noe som tyder på at hjernens konturer og krumning sterkt påvirker hjerneaktiviteten - kanskje til og med i større grad enn den komplekse sammenkoblingen mellom populasjoner av nevroner selv.

Enkelt sagt utfordrer forskernes resultater vår kunnskap om hvordan den menneskelige hjernen fungerer.

"Vi sier ikke at tilkoblingen i hjernen din ikke er viktig," sier Pang. «Det vi sier er at formen på hjernen din også har et betydelig bidrag. Det er høyst sannsynlig at begge verdener har en viss synergi ... det har vært flere tiår og tiår med arbeid fra begge sider av forskningen i nevrale feltteori-verdenen og tilkoblingsverdenen, og begge er viktige, etter min mening. Denne studien åpner for så mange muligheter – vi kan studere hvordan geometriske egenmoder varierer gjennom nevroutvikling eller forstyrres av for eksempel kliniske lidelser. Det er ganske spennende."

Tidstempel:

Mer fra Fysikkens verden