En ny bildeplattform avslører det nevronale grunnlaget for et drivende sinn

Når var siste gang du dagdrømte? Uten å være spesielt oppmerksom på omverdenen, engasjert i introspeksjon eller minnegjenkalling, føles din mentale tilstand endret. Denne forskjellen gjenspeiles i globale mønstre av hjerneaktivitet – standardmodusnettverket (DMN). DMN ble identifisert for 20 år siden og fokuset for mye forskningsaktivitet siden, og forbinder flere hjerneregioner gjennom distinkte lavfrekvente svingninger.

"DMN antas også å spille en nøkkelrolle i en rekke nevrologiske og psykiatriske lidelser, inkludert Alzheimers sykdom, schizofreni, depresjon og autisme," sier Tzu-Hao Harry Chao fra University of North Carolina ved Chapel Hill's nevrologisk avdeling. "Å forstå hvordan DMN fungerer i helse og sykdom kan føre til nye behandlinger og intervensjoner for disse tilstandene."

Motivert av disse målene har Chao og kolleger kombinert funksjonell magnetisk resonansavbildning (fMRI) med en fiberfotometrisensor som måler cellulære kalsiumnivåer for å forstå hvordan forskjellige hjerneregioner kommer sammen for å etablere og forstyrre DMN i rottehjerner. De rapporterer funnene sine i Vitenskap Fremskritt.

Når man studerer hjernetilkobling i stor skala, er det utfordrende å benytte seg av individuelle nevroner, spesielt i dype hjerneområder. For å undersøke globale trekk bruker nevrovitenskapsmenn derfor ofte en proxy for nevronal aktivitet.

"For eksempel oppdager fMRI endringer i blodoksygenering/strøm til forskjellige områder av hjernen, som antas å reflektere endringer i nevronal aktivitet," forklarer Chao, og advarer om at "dette forholdet mellom blodstrøm og nevronal aktivitet er ikke alltid likefremt, og det kan være mange kilder til støy og variasjoner i fMRI-signaler." For å komplementere fMRI-data med et direkte mål på nevronal aktivitet, utviklet forskerteamet en fMRI-kompatibel optisk avbildningsplattform som gir nevronal avlesning på flere steder fra rottehjerner.

Under signaloverføring fra en nevron til en annen, kommer kalsiumioner inn i cellen som svar på et aksjonspotensial, og utløser frigjøring av nevrotransmittere i synapsen. For eksperimentene brukte teamet genetisk konstruerte rotter som bærer et kalsiumfølsomt protein. Proteinet "gjennomgår en konformasjonsendring som respons på kalsiumbinding, noe som fører til økt fluorescensintensitet som kan brukes til å oppdage endringer i intracellulære kalsiumnivåer," sier Chao.

Forskerne synkroniserte en fMRI-maskin til en fiberfotometriplattform som kan oppdage endringer i cellulær kalsiumkonsentrasjon samtidig i fire hjerneregioner. De skannet deretter hjernen til bedøvede gnagere for endringer i DMN-aktivitet, som de justerte til kalsiumdataene.

Tre av de fire observerte hjerneregionene viste økt nevral aktivitet rett før DMN ble etablert, mens aktiviteten i den fjerde regionen – den fremre insulære cortex – ble betydelig redusert. Dette er interessant ettersom den fremre insulære cortex spiller en rolle i salience-nettverket (SN), en alternativ hjernetilkoblingstilstand assosiert med oppmerksomhet.

I kontrast, ved DMN-deaktivering, ble aktiviteten i de tre DMN-assosierte regionene hemmet, mens det fremre insulære cortex-signalet økte rundt 8 s før DMN ble stengt. Etter statistisk analyse avslører disse observasjonene at fremre insulær cortex-aktivitet har en negativ årsakspåvirkning på de andre DMN-hjerneregionene.

Forskerne utledet også en modell av fem latente hjernetilstander komplett med en syklus av sannsynlige overganger mellom dem. Siden i noen av disse latente tilstandene korrelerer den fremre insulære cortex med de andre regionene, mens det i andre stater er en anti-korrelasjon, konkluderer Chao med at "topologien til storskala hjernenettverk kan være veldig dynamisk, og disse nettverkene kan overlappes noe. i stedet for tydelig atskilt». Veien som den fremre insulære cortex induserer DMN-undertrykkelse krever imidlertid ytterligere undersøkelse, som teamet håper å oppnå i fremtidig arbeid.

Etterforskerne studerte også hjernen til våkne rotter med kalsiummåleteknikken. Ved å bruke et oddball-paradigme, der rottene lyttet til repeterende toner med en og annen odd-one-out, fant de et årsaksnettverk mellom de studerte hjerneregionene, igjen med den fremre insulære cortex som har en hemmende rolle på andre DMN-assosierte regioner.

Eksperimenter på våkne rotter hadde ikke fMRI fordi konvensjonelle fMRI-innsamlinger er veldig høye, noe som kan forårsake stress for dyret. "Hos mennesker kan vi bruke ørepropper pluss øreklokker for å minimere den akustiske støyen for å påvirke mennesker," forklarer Chao. "Dette er praktisk talt vanskeligere for oss å etterligne hos gnagere, delvis fordi hodeskallene deres er veldig tynne for at den akustiske støyen lett skal trenge gjennom. Når det er sagt, jobber vi faktisk med å utføre fMRI i våkne mus med en ny stille fMRI-teknikk."

Teamet utvikler kalsiumsensor-tilnærmingen videre ved å inkludere flere kanaler for å muliggjøre datainnsamling fra to fag samtidig. "Denne oppgraderingen vil gjøre oss i stand til å undersøke DMN- og SN-rollene i sosial interaksjon ved å bruke gnagermodeller. Vi opprettholder et aktivt samarbeid om dette temaet med Vinod Menons laboratorium ved Stanford University, sier Chao.

Samtidig EEG og fMRI måler søvntreghet

Han er overbevist om at forskningen deres "baner vei for fremtidige translasjonsstudier som bruker gnagermodeller for å undersøke det cellulære grunnlaget for storskala, funksjonelt og atferdsmessig signifikante hjernenettverk i den friske hjernen, og de nevronale mekanismene som fører til nettverksdysfunksjon ved hjernesykdommer. ".

"[Det] har potensial til å transformere landskapet til fMRI og kunnskapen som er oppnådd vil ha omfattende implikasjoner for design, analyse og tolkning av menneskelig hjerne fMRI-data," forteller Chao Fysikkens verden.

• SEO-drevet innhold og PR-distribusjon. Bli forsterket i dag.
• Platoblokkkjede. Web3 Metaverse Intelligence. Kunnskap forsterket. Tilgang her.
• kilde: https://physicsworld.com/a/novel-imaging-platform-reveals-the-neuronal-basis-of-a-drifting-mind/