Badanie MRI podważa naszą wiedzę o tym, jak działa ludzki mózg – Physics World

Badanie MRI podważa naszą wiedzę o tym, jak działa ludzki mózg – Physics World

Znacznik czasu: 6 lipca 2023 5:00

Jamesa Panga i Alexa Fornito
Kształt mózgu Naukowcy z Monash University, James Pang (po lewej) i Alex Fornito, przebadali ponad 10,000 XNUMX rezonansów magnetycznych, aby ustalić, że geometria mózgu wpływa na jego aktywność. (Dzięki uprzejmości: Uniwersytet Monash)

Jak działa ludzki mózg? To zależy od tego, kogo zapytasz.

W szkole prawdopodobnie uczono cię, że nasze mózgi zawierają miliardy neuronów, które przetwarzają dane wejściowe i pomagają nam tworzyć myśli, emocje i ruchy. Zapytaj specjalistów od obrazowania, a dowiesz się, jak możemy zobaczyć mózg na różne sposoby przy użyciu różnych technik obrazowania i czego możemy się dowiedzieć z każdego obrazu. Neuronaukowcy opowiedzą również o interakcjach między neuronami i pokrewnymi substancjami chemicznymi, takimi jak dopamina i serotonina.

Jeśli zapytasz podgrupę neurobiologów, którzy koncentrują się na ramach matematycznych, jak kształt mózgu wpływa na jego aktywność – obszar neuronauki matematycznej zwany teorią pola neuronowego – zaczniesz rozumieć związek między kształtem, strukturą i funkcją mózgu w jeszcze inny sposób .

Teoria pola neuronowego opiera się na naszym konwencjonalnym rozumieniu działania mózgu. Wykorzystuje fizyczny kształt mózgu – rozmiar, długość i krzywiznę kory oraz trójwymiarowy kształt podkory – jako rusztowanie, na którym aktywność mózgu odbywa się w czasie i przestrzeni. Następnie naukowcy modelują makroskopową aktywność elektryczną mózgu, używając geometrii mózgu, aby nałożyć ograniczenia. Na przykład aktywność elektryczną wzdłuż kory mózgowej można modelować jako superpozycję fal wędrujących rozchodzących się przez arkusz tkanki nerwowej.

„Pomysł, że geometria mózgu może wpływać lub ograniczać jakąkolwiek aktywność zachodzącą w środku, nie jest konwencjonalnym pytaniem neuronauki, prawda? To bardzo ezoteryczne pytanie… Przez dziesięciolecia próbowaliśmy zmapować skomplikowane okablowanie mózgu i myśleliśmy, że cała aktywność wychodząca z mózgu jest napędzana przez te skomplikowane okablowanie” – mówi Jamesa Panga, pracownik naukowy na Uniwersytecie Monash Instytut Turnera ds. Mózgu i Zdrowia Psychicznego.

W badaniu opublikowanym w Natura, Pang i jego współpracownicy zakwestionowali to dominujące zrozumienie, identyfikując silny związek między kształtem mózgu a czynnościową aktywnością MRI (fMRI).

Naukowcy badali naturalne rezonanse zwane trybami własnymi, które występują, gdy różne części systemu wibrują z tą samą częstotliwością, na przykład wzbudzenia występujące w mózgu podczas skanowania fMRI wywołanego zadaniem. Kiedy zastosowali modele matematyczne z teorii pola neuronowego do ponad 10,000 XNUMX map aktywności i danych fMRI z Projekt Human Connectome, naukowcy odkryli, że aktywność korowa i podkorowa wynika ze wzbudzenia trybów własnych obejmujących cały mózg długimi przestrzennymi długościami fal do i przekraczającymi 6 cm. Wynik ten kontrastuje z wiodącym przekonaniem, że aktywność mózgu jest zlokalizowana.

„Od dawna uważaliśmy, że określone myśli lub doznania wywołują aktywność w określonych częściach mózgu, ale to badanie ujawnia, że ​​ustrukturyzowane wzorce aktywności są wzbudzane w prawie całym mózgu, podobnie jak sposób, w jaki nuta muzyczna powstaje z wibracji zachodzących wzdłuż całej długości struny skrzypiec, a nie tylko pojedynczego segmentu”, mówi Pang w oświadczeniu prasowym.

Pang i jego współpracownicy porównali również, w jaki sposób geometryczne tryby własne uzyskane z modeli kształtu mózgu działają w stosunku do trybów własnych konektomu, które są uzyskiwane z modeli łączności mózgu. Odkryli, że geometryczne mody własne nakładają większe ograniczenia na aktywność mózgu niż konektomowe mody własne, co sugeruje, że kontury i krzywizny mózgu silnie wpływają na aktywność mózgu – być może nawet w większym stopniu niż złożone wzajemne połączenia między populacjami samych neuronów.

Mówiąc najprościej, wyniki naukowców podważają naszą wiedzę o tym, jak działa ludzki mózg.

„Nie twierdzimy, że łączność w mózgu nie jest ważna” — mówi Pang. „Mówimy, że kształt twojego mózgu również ma znaczący wkład. Jest wysoce prawdopodobne, że oba światy mają pewną synergię… to były dziesięciolecia pracy po obu stronach badań w świecie teorii pola neuronowego i świecie łączności, i moim zdaniem oba są ważne. To badanie otwiera tak wiele możliwości – moglibyśmy na przykład zbadać, jak geometryczne tryby własne zmieniają się w trakcie rozwoju neurologicznego lub są zakłócane przez zaburzenia kliniczne. To dość ekscytujące.

Znak czasu:

Więcej z Świat Fizyki